[論文レビュー] A Mølmer-Sørensen Gate with Rydberg-Dressed Atoms

Michael Martin, Yuan‐Yu Jau+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 29, 2021

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、1光子Rydbergドレッシングを用いて2つの中性原子間のMølmer-Sørensenエンタングルゲートを実装し、断熱的ドレッシングによりデ coherent を抑制することで、高精度なエンタングルメントを達成した。このゲートは原子の運動、レーザー雑音、光シフトに対して頑健であり、実験的精度は主にレーザー周波数雑音と自発的放出に制限されており、さらなる最適化により95%を超える可能性を示している。

ABSTRACT

Neutral atoms are building blocks of ground-up quantum many-body systems. Well-controlled and high-fidelity entangling gates are an essential component for realizing complex neutral atom architectures for quantum computing, quantum simulation, and measurement with precision better than the standard quantum limit. In this Letter we report the realization of a Mølmer-Sørensen unitary between two neutral atoms, based on adiabatic single-photon dressing to Rydberg levels. We show that this technique is highly robust to noise sources and experimental imperfections that have limited the fidelity of other approaches to neutral atom gates.

研究の動機と目的

• 既存のRydbergベースのアプローチに起因する制限を克服する、中性原子を対象とした高精度なエンタングルゲートの開発。
• 従来の手法で精度を低下させる原子の運動、レーザー雑音、光シフトに起因するデ coherent の低減。
• 断続的1光子ドレッシングを用いてRydberg状態に到達させ、有効なスピン-スピン相互作用を生成することでMølmer-Sørensenゲートを実装し、頑健な2量子ビット操作を可能にする。
• 静的および動的レーザー周波数デチューニングエラーに起因する位相ずれを低減するためのスピンエコー位相構造の実装。
• ビーム指向や強度勾配などの実験的不確実性への感受性を低減することで、スケーラブルな量子アーキテクチャの実現を可能にする。

提案手法

• 基底状態の原子を断続的1光子ドレッシングによりRydberg状態にドレッシングすることでゲートを実装し、ドレッシング状態のエネルギーシフトを介して有効なスピン-スピン相互作用を生成する。
• 相互作用ハミルトニアンを設計し、ドレッシング状態のエネルギー分裂が集団スピン状態に依存するようにすることで、制御された位相操作を実現する。
• 1原子の光シフトをキャンセルし、レーザー周波数雑音に起因する位相ずれを低減するため、スピンエコーシーケンスを適用する。
• ゲートユニタリは $\hat{U}_{\mathrm{MS}} = \exp[-i\phi_{J}\hat{S}_{y}^{2}]$ として実現され、$\phi_J$ は時間依存のラビカップリング $\Omega$ とデチューニング $\Delta$ を通じて蓄積される。
• 相互作用強度 $J^\pm$ はドレッシングラミー測定から抽出され、$c_6 = 25(1)\;\mathrm{GHz} \cdot \mu\mathrm{m}^6$ を得た。
• 非断続的および静的位相エラーのキャンセリングを保証するため、対称的なオンタイムを持つ2パルスシーケンスを用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2光子遷移の代わりに1光子Rydbergドレッシングを用いて中性原子におけるMølmer-Sørensenゲートを実装可能か？
• RQ2 従来のRydberg遮断ゲートと比較して、Rydbergドレッシングは原子の運動およびレーザー雑音に対してどのように頑健性を向上させるか？
• RQ3 ドレッシング原子系において、レーザー周波数の揺らぎに起因する位相ずれは、スピンエコー位相構造によってどの程度低減可能か？
• RQ4 このゲートプロトコルにおける不正確性の主な要因は何か。また、より優れたレーザー安定性や断続的到達の短縮によりこれを軽減可能か？
• RQ5 このアプローチは、既存の中性原子ゲートと同等の高精度なエンタングルメントを達成可能か？

主な発見

• 実験では、1光子Rydbergドレッシングを用いたMølmer-Sørensenゲートを実装し、測定された相互作用強度は $J^+ = 2\pi \times 2.95(5)$ MHz および $c_6 = 25(1)\;\mathrm{GHz} \cdot \mu\mathrm{m}^6$ であった。
• ゲートの精度は主にレーザー周波数雑音に起因し、非定常なデチューニングおよび $J(\Delta,\Omega)$ の揺らぎにより、5–10%の精度低下が予想された。
• 300 Kで170 μsの寿命を持つRydberg状態からの自発的放出は、約0.25%の誤差確率をもたらし、ラビ周波数の増加や断続的到達の短縮により低減可能である。
• 測定誤差補正付きパリティ測定により、正弦曲線フィットによる $|\rho_{00,11}|$ の抽出が行われ、エンタングル状態の高いコhereneyが示された。
• 1光子および断続的ドレッシング方式を採用したことで、原子の運動および強度勾配に対して強い免疫を示した。
• 理論的解析から、レーザー安定性の向上およびより速いラムピングにより、95%を超えるゲート精度が達成可能であると示唆された。