Project

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Quantum technologies for molecular precision spectroscopy

Applicant Willitsch Stefan
Number 204123
Funding scheme Project funding
Research institution Physikalische Chemie Departement Chemie Universität Basel
Institution of higher education University of Basel - BS
Main discipline Physical Chemistry
Start/End 01.01.2022 - 31.12.2025
Approved amount 1'054'699.00
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All Disciplines (2)

Discipline
Physical Chemistry
Other disciplines of Physics

Keywords (4)

cold molecular ions; ion traps; molecular quantum technologies; precision molecular spectroscopy

Lay Summary (German)

Lead
In den letzten Jahren wurden beeindruckende Fortschritte bei der Kühlung, der Manipulation und der Quantenkontrolle ultrakalter Atome erzielt, die spektroskopische Messungen mit noch nie dagewesener Präzision ermöglicht haben. Ähnlich präzise spektroskopische Experimente an Molekülen eröffnen eine Reihe neuer wissenschaftlicher Perspektiven, darunter Tests neuer physikalischer Konzepte, die Einführung neuer Frequenzstandards, die genaue Überprüfung physikalischer Theorien, die präzise Bestimmung grundlegender physikalischer Konstanten sowie die genaue Untersuchung der Eigenschaften von Molekülen. Solche Experimente legen auch den Grundstein für Anwendungen von Molekülen im Bereich der modernen Quantenwissenschaften. Die komplexe Energieniveaustruktur von Molekülen stellt jedoch eine große Herausforderung für ihre präzise Manipulation und spektroskopische Charakterisierung dar.
Lay summary

Geladene Moleküle, sog. molekulare Ionen, die in Radiofrequenzfallen gefangen und gekühlt werden, haben sich als vielversprechender Weg zur Überwindung dieser Hindernisse erwiesen. Wir haben kürzlich ein neues experimentelles Verfahren entwickelt, das es ermöglicht, den Quantenzustand eines einzelnen Molekülions präzise zu bestimmen, ohne das Molekül und den Quantenzustand selbst zu zerstören. Diese Technik ermöglicht es, spektroskopische Experimente  vier bis fünf Größenordnungen schneller durchzuführen als mit etablierten Verfahren. Die damit einhergehenden Verbesserung der spektroskopischen Empfindlichkeit und Präzision sind enorm. 

Solche “Quantenlogik“-Methoden stellen einen Paradigmenwechsel in der Art und Weise dar, wie spektroskopische Experimente an Molekülen durchgeführt werden. Im vorliegenden Projekt werden wir das Potenzial dieses neuen Ansatzes nutzen, um hochempfindliche spektroskopische Messungen der der Energie-Niveau-Struktur des homonuklearen zweiatomigen Moleküls N2+ mit bisher unerreichter Präzision durchzuführen. Wir werden dafür eine neu eingerichtete Infrastruktur für die Verteilung des Schweizerischen primären Frequenzstandards am Schweizer Metrologieinstitut METAS in Bern über eine Glasfaserverbindung zu unserem Labor in Basel nutzen. Dies wird es uns ermöglichen, eine relative Messgenauigkeit von 15 Grössenordnungen zu erreichen und damit einen neuen Standard für die Präzision von spektroskopischen Messungen an molekularen Ionen über verschiedene Frequenzbereiche hinweg zu setzen. Ein weiteres Ziel des Projekts ist die Entwicklung von molekularen Quantenbits mit möglichen Anwendungen in der Quantenwissenschaft. 

Neben ihrer unmittelbaren Bedeutung für die Molekülspektroskopie werden die erwarteten Ergebnisse auch für den Bereich der Frequenzmetrologie und die Entwicklung neuer Frequenzstandards, für die Atom-, Molekular-, optische und chemische Physik durch die Einführung neuer Konzepte zur Untersuchung von Molekülen, für die Quantenwissenschaft durch die Etablierung neuer Quantenbits und auch für die fundamentale Physik durch die Festlegung neuer Grenzen für eine mögliche zeitliche Veränderung des Elektron-Proton-Massenverhältnisses von Bedeutung sein. 
Direct link to Lay Summary Last update: 12.10.2021

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
189907 Controlled reactive collisions with trapped ions 01.01.2020 COST (European Cooperation in Science and Technology)
185902 NCCR QSIT: Quantum Science and Technology (phase III) 01.01.2019 National Centres of Competence in Research (NCCRs)
183579 Precision molecular spectroscopy using a network for distribution of the Swiss primary frequency standard 01.01.2019 Sinergia
188329 Collisional and Half-Collisional Dynamics of Conformationally Selected Molecules 01.01.2020 South Korea

Abstract

In recent years, impressive advances in the cooling, manipulation and quantum control of ultracold trapped atoms and atomic ions have been achieved which enabled spectroscopic measurements with an unprecedented precision. Similarly precise spectroscopic experiments on molecules open up a range of new scientific perspectives including tests of new physical concepts, the implementation of new frequency standards, accurate evaluations of physical theories such as quantum electrodynamics, precise determinations of fundamental constants and exact studies of the properties of molecules and their constituent particles. They also lay the foundations for applications of molecules in the realm of modern quantum science such as quantum information and quantum sensing. However, the complex energy-level structure of molecules and the absence of optical cycling transitions in most molecular systems constitute a major challenge for their state preparation, laser cooling, state detection, coherent manipulation and, therefore, precise spectroscopic characterisation. Molecular ions confined in radiofrequency traps and sympathetically cooled by simultaneously trapped atomic ions have proven a promising route for overcoming these obstacles. We have recently developed a new experimental scheme enabling the readout of the quantum state of a single trapped molecular ion without destroying the molecule and indeed the quantum state itself. This quantum-non-demolition technique enables spectroscopic experiments with four to five orders of magnitude faster duty cycles than previous destructive state-readout techniques and concomitant improvements in spectroscopic sensitivity and precision. Such "quantum-logic" methods represent a paradigm change in the way spectroscopic experiments are performed on molecules. In the present project, we will harness the potential of this new approach to perform highly sensitive spectroscopic measurements on the hyperfine, rotational and vibrational energy-level structure of the homonuclear diatomic ion N2+ with unprecedented precision. N2+ has previously been identified as an ideal system for molecular precision measurements. In a recent comprehensive theoretical screening, we have explored suitable clock transitions within the energy-level manifolds of N2+ which will be characterised experimentally in the present project. We will make use of a newly established infrastructure for the distribution of the Swiss primary frequency standard at the Swiss metrology institute METAS in Berne to our laboratory in Basel via an optical fibre link. Referencing all our laser sources to the METAS standard will allow us to reach an absolute measurement precision on the level of 10^(-15) thus establishing a new frontier in the precision of spectroscopic measurements on molecular ions across different frequency domains. The clock transitions to be probed here are predicted to also exhibit excellent coherence properties and are therefore attractive candidates for molecular quantum bits with prospective applications in quantum science. In summary, using quantum-logic techniques for state readout in combination with remote calibration to the Swiss primary frequency standard via a fibre link, the present project will introduce new methods for molecular frequency metrology and establish new limits in the measurement precision of the hyperfine, rotational and vibrational spectroscopy of molecular ions. In this framework, we will also perform the first direct rotational spectroscopy on a homonuclear diatomic ion. Besides their immediate relevance for molecular spectroscopy, the targeted results are expected to be of importance for the wider field of frequency metrology and the development of new frequency standards, for atomic, molecular, optical and chemical physics by introducing new concepts to probe and interrogate molecules, for quantum science by establishing quantum bits with very high coherence properties and also for fundamental physics by setting new constraints on a possible time variation of the electron-proton mass ratio.
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