Deep strong coupling of quantum mechanical motional modes with ultracold atoms in an optical lattice potential
Final Report Abstract
Die Wechselwirkung eines quantenmechanischen Zweiniveausystems mit einer Oszillationsmode stellt eine zentrale Thematik der Quantenoptik dar. Experimentelle Arbeiten hierzu umfassen beispielsweise Atome in optischen Hochfinesse-Resonatoren, Rydberg-Atome in supraleitenden Mikrowellen-Resonatoren, sowie Experimente mit Ionenfallen. Ziel des Vorhabens war die Realisierung des Quanten-Rabi-Modells, das den Bereich extrem starker Kopplung der Moden beschreibt, mit ultrakalten Atomen in einem optischen Gitter. Im Rahmen des Vorhabens konnte erfolgreich ein neuartiges Verfahren zur Realisierung des Quanten-Rabi-Modells demonstriert werden, bei der das Zweiniveausystem in den Bloch-Bänden kalter Atome in Gitterpotentialen realisiert ist und die erforderliche bosonische Mode als Schwingungsmode der Atome in einem überlagerten harmonischen Fallenpotential. Es konnte eine Kopplungsstärke von 6,5-mal der Frequenz der bosonischen Feldmode demonstriert werden, was in Bezug auf die relative Kopplungsstärke ein Rekordwert darstellt. Für längere Wechselwirkungszeiten wird in dem System eine Verallgemeinerung des ursprünglichen Quanten-Rabi-Modell, das sogenannte periodische Quanten-Rabi-Modell, realisiert, das formal äquivalent zu einem an einigen supraleitenden Qubit-Systemen implementierten Hamiltonian ist. Im Rahmen des Vorhabens konnten auch Vorhersagen dieses verallgemeinerten Quanten-Rabi-Modells im Bereich der tiefen starken Kopplung, wie ein Kollaps und Wiederaufleben der Anregungszahl, beobachtet werden. Eine Perspektive der Arbeiten sind neuartige Konzepte zur Quanteninformationsverarbeitung mit kalten Atomen in optischen Potentialen.
Publications
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Quantum Rabi dynamics of trapped atoms far in the deep strong coupling regime. Nature Communications, 14(1).
Koch, Johannes; Hunanyan, Geram R.; Ockenfels, Till; Rico, Enrique; Solano, Enrique & Weitz, Martin
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Periodic quantum Rabi model with cold atoms at deep strong coupling. Physical Review Research, 6(3).
Hunanyan, Geram; Koch, Johannes; Moll, Stefanie; Rico, Enrique; Solano, Enrique & Weitz, Martin
