[論文レビュー] An atomic boson sampler

Aaron W. Young, Shawn Geller+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 13, 2023

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 82被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、2次元光学格子内の超低温ボソン原子を用いたアトミックボソンサンプラーを実装し、光学トウェージャーを用いた再配置と高精度冷却により、99.5%の高い不相干渉性（indistinguishability）と低損失（5.0%）およびほぼ完璧な検出精度（99.8%）を達成した。この系は、1000程度の格子サイトにわたる180原子まで、非相互作用量子ウォークをプログラマブルに実行可能であり、ボソンの束縛（bunching）とユニタリ動的特性が実証された。

ABSTRACT

A boson sampler implements a restricted model of quantum computing. It is defined by the ability to sample from the distribution resulting from the interference of identical bosons propagating according to programmable, non-interacting dynamics. Here, we demonstrate a new combination of tools for implementing boson sampling using ultracold atoms in a two-dimensional, tunnel-coupled optical lattice. These tools include fast and programmable preparation of large ensembles of nearly identical bosonic atoms ($99.5^{+0.5}_{-1.6}\;\%$ indistinguishability) by means of rearrangement with optical tweezers and high-fidelity optical cooling, propagation for variable evolution time in the lattice with low loss ($5.0(2)\;\%$, independent of evolution time), and high fidelity detection of the atom positions after their evolution (typically $99.8(1)\;\%$). With this system, we study specific instances of boson sampling involving up to $180$ atoms distributed among $\sim 1000$ sites in the lattice. Direct verification of a given boson sampling distribution is not feasible in this regime. Instead, we introduce and perform targeted tests to determine the indistinguishability of the prepared atoms, to characterize the applied family of single particle unitaries, and to observe expected bunching features due to interference for a large range of atom numbers. When extended to interacting systems, our work demonstrates the core capabilities required to directly assemble ground and excited states in simulations of various Hubbard models.

研究の動機と目的

• 光子ではなく超低温原子ガスを用いて、スケーラブルで高精度なボソンサンプルリングプラットフォームを実装すること。
• 光子ボソンサンプルリングにおける低光子不相干渉性や高損失といった制限を、より優れた準備および検出能力を有する原子を用いることで克服すること。
• ボソンサンプルリングが予測する、特に束縛（bunching）を含む主要な量子干渉効果が、制御可能で多数体の量子系において実際に観測されることを検証すること。
• 格子内での同一ボソンのFock状態のオンデマンド準備、進化、検出を可能にするツールを開発・実証すること。
• 将来の Hubbard モデルのシミュレーションを可能にするために、制御された方法で多数体量子状態を構成・進化させることの有効性を示すこと。

提案手法

• 高空間分解能を実現するため、光学トウェージャーを用いて超低温ボソン原子の巨大集団を、特定のFock状態に再配置・準備する。
• 99.5%の不相干渉性を達成する高精度レーザー冷却を実施し、量子干渉効果に不可欠な要因を満たす。
• 可変な進化時間と低損失（5.0%）を特徴とする、2次元トンネル結合型光学格子上で量子ウォークを実行する。
• サイトおよび原子分解能を有するイメージングを用いて、最終的な原子位置を99.8%の精度で検出し、格子サイト間の相関測定を可能にする。
• 単粒子損失、イメージングの不完全性、再配置の不完全性に起因する誤差を低減するため、後選択（postselection）技術を適用する。
• 時間ラベル付けおよび位置ラベル付け戦略を用いて、不相干渉粒子と区別可能な粒子を区別し、干渉特徴のキャリブレーションを可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超低温原子を用いた光学格子上で、高不相干渉性と低損失を実現するスケーラブルなボソンサンプルリングデバイスを実装可能か？
• RQ2 観測された干渉パターン（例：束縛）は、非相互作用量子ウォークにおける不相干渉ボソンが予測する理論とどの程度一致するか？
• RQ3 測定された量子ウォークデータから、適用された単粒子ユニタリ進化をどの程度正確に特徴づけられるか？
• RQ4 180原子にわたる広範な粒子数範囲で、一般化された束縛行動が観測され、定量的に評価可能か？
• RQ5 トラップされた原子系における、オンデマンド準備・進化・検出のFock状態の忠実度とスケーラビリティはどの程度か？

主な発見

• 99.5%の原子間不相干渉性が、意図的なHOMディップ測定と干渉可視度により確認された。
• 単粒子損失は5.0(2)%であり、進化時間に依存しないことが確認され、長時間にわたる安定した量子ウォークを示した。
• 検出精度は99.8(1)%に達し、多数体相関関数の高精度測定が可能になった。
• 2〜36原子の広範な原子数範囲で、不相干渉ボソンと整合する束縛特徴が観測され、理論と定量的に一致した。
• 量子ウォークデータから推定されたユニタリ進化は理論的予測と一致し、システムのプログラマブルな動的特性が検証された。
• 180原子実験ではm=1015の一般化された束縛が測定され、原子系における大規模量子干渉の可能性が実証された。