[論文レビュー] A tweezer array with 6100 highly coherent atomic qubits

Hannah J. Manetsch, Gyohei Nomura+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 18, 2024

Quantum Information and Cryptography被引用数 16

ひとこと要約

この論文は、11,998サイトの光学トランプアレイを用いて、6,100個を超えるセシウム-133原子を高コherentlyなハイパーファインキュービットとして捕獲し、記録的な12.6(1)秒のコherency時間と、>99.99%の忠実度で99.98952(1)%のイメージング生存率を達成した。このシステムは、広範囲にわたる空間的スケールでの一貫性ある輸送およびピックアップ/ドロップオフを可能とし、スケーラブルなユニバーサル量子コンピューティングおよび量子誤り訂正のためのプラットフォームを確立した。

ABSTRACT

Optical tweezer arrays have transformed atomic and molecular physics, now forming the backbone for a range of leading experiments in quantum computing, simulation, and metrology. Typical experiments trap tens to hundreds of atomic qubits, and recently systems with around one thousand atoms were realized without defining qubits or demonstrating coherent control. However, scaling to thousands of atomic qubits with long coherence times, low-loss, and high-fidelity imaging is an outstanding challenge and critical for progress in quantum science, particularly towards quantum error correction. Here, we experimentally realize an array of optical tweezers trapping over 6,100 neutral atoms in around 12,000 sites, simultaneously surpassing state-of-the-art performance for several metrics that underpin the success of the platform. Specifically, while scaling to such a large number of atoms, we demonstrate a coherence time of 12.6(1) seconds, a record for hyperfine qubits in an optical tweezer array. We show room-temperature trapping lifetimes of 23 minutes, enabling record-high imaging survival of 99.98952(1)% with an imaging fidelity of over 99.99%. We present a plan for zone-based quantum computing and demonstrate necessary coherence-preserving qubit transport and pick-up/drop-off operations on large spatial scales, characterized through interleaved randomized benchmarking. Our results, along with recent developments, indicate that universal quantum computing and quantum error correction with thousands to tens of thousands of physical qubits could be a near-term prospect.

研究の動機と目的

• 高コherencyと高忠実度を維持したまま、中性原子量子系を数千キュービットにスケーリングすること。
• 大規模アレイにおける長寿命コherency時間と低損失動作を達成することで、量子コンピューティングのスケーラビリティ課題を克服すること。
• 室温下の光学トランプシステムにおいて、6,100キュービット規模での一貫性制御、輸送、およびイメージング忠実度を実証すること。
• 高忠実度、スケーラブルかつ再構成可能なキュービット制御を有するプラットフォームを確立することで、ユニバーサル量子コンピューティングおよび量子誤り訂正を可能とすること。

提案手法

• 1055 nmおよび1061 nmの遠共鳴歪みのない光学トランプを用いて、室温下の真空チャンバーで単一のセシウム-133原子を捕獲する。
• 直交する偏光を持つ2つの空間光変調器（SLM）を用いて、11,998サイトの再構成可能なトランプアレイを生成する。
• 高出力・低損失捕獲を実装し、約23分の真空制限寿命を実現する。
• qCMOSカメラを用いた単一原子イメージングにより、>99.99%のイメージング忠実度と99.98952(1)%の生存確率を達成する。
• 大規模な距離での一貫性ある輸送およびトラップ移動忠実度を評価するために、インターリーブドランダム化ベンチマークを実施する。
• スケーラブルかつモジュラーな操作を可能とするゾーンベースの量子コンピューティングアーキテクチャを設計する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光学トランプアレイは6,000キュービットを超えるスケールにまで拡張可能であり、10秒を超えるコherency時間を維持できるか？
• RQ2 数千原子を含む大規模な室温下のトランプアレイにおいて、最高のイメージング生存率と忠実度はどの程度達成可能か？
• RQ3 このようなシステムにおいて、広範囲の空間的スケールにわたって一貫性あるキュービット輸送およびピックアップ/ドロップオフ操作を維持できるか？
• RQ4 環境条件下における高密度で大規模な中性原子アレイにおけるコherencyと損失の限界は何か？
• RQ5 このプラットフォームは、スケールに応じたユニバーサル量子コンピューティングおよび量子誤り訂正の要件を満たすことができるか？

主な発見

• 光学トランプアレイにおいて、記録的なハイパーファインキュービットコherency時間12.6(1)秒を達成し、過去の結果を上回った。
• 単一原子イメージングの生存率は99.98952(1)%と測定され、これまでは報告されていない最大値であった。
• イメージング忠実度は99.99%を超えた。測定値は99.99374(8)%であり、大規模システムにおける新たなベンチマークを設定した。
• 室温下の装置で、真空制限捕獲寿命が22.9(1)分に達し、長時間の操作を可能にした。
• 大規模な空間的スケールにわたって、高い忠実度で一貫性ある輸送およびトラップ移動を実現し、インターリーブドランダム化ベンチマークにより検証された。
• このプラットフォームはゾーンベースの量子コンピューティングアーキテクチャをサポートし、誤り耐性量子計算に不可欠なスケーラブルかつモジュラーな操作を可能にした。