[論文レビュー] Control and Entanglement of Individual Rydberg Atoms Near a Nanoscale Device

Paloma Ocola, Ivana Dimitrova+6 more|arXiv (Cornell University)|Oct 23, 2022

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、強い電場ノイズがあるにもかかわらず、ナノスケールのSiNデバイスから100 μmの距離で、Rydberg原子の整合的制御と2原子のもつれを実証した。研究チームはもつれ補助センシングとUV励起による電荷中和を用いて、電場環境をマッピング・安定化し、耐障害性のある量子制御を実現し、光デバイスや電子デバイスとのスケーラブルな統合への道筋を示した。

ABSTRACT

Rydberg atom arrays constitute a promising quantum information platform, where control over several hundred qubits has been demonstrated. Further scaling could significantly benefit from coupling to integrated optical or electronic devices, enabling quantum networking and new control tools, but this integration is challenging due to Rydberg sensitivity to the electric field noise from surfaces. We demonstrate that Rydberg coherence and two-atom entanglement can be generated and maintained at distances of 100 microns from a nanoscale dielectric device. Using coherent manipulation of individual qubits and entanglement-assisted sensing, we map the spatio-temporal properties of the electric field environment, enabling its control and the integration of Rydberg arrays with micro- and nanoscale devices.

研究の動機と目的

• 表面由来の電場ノイズによるデ coherent 化を克服することで、Rydberg原子アレイをナノフォトニクスおよび電子デバイスとスケーラブルに統合すること。
• Rydberg原子を量子センサとして用いて、ナノスケールの誘電体デバイス周辺の電場ノイズの空間的・時間的特性をマッピングすること。
• 強い電場フラクチュエーションがある中でも、デバイスから100 μmの距離で、整合的制御と2原子のもつれを実証すること。
• UV照射による表面電荷の中和を用いて、Rydbergコherencyを安定化させること。
• デバイスの電場によって誘導される異方的Rydberg-Rydberg相互作用を特定し、ターゲットに合わせた量子ゲート操作を可能にすること。

提案手法

• 87Rb原子を光学トラップで捕獲し、420 nmおよび1013 nmのレーザーを用いた2光子遷移により、|70S⟩状態のRydberg状態に共鳴励起する。
• SiNナノフォトニクスデバイスからの距離関数としてのRydbergスペクトルシフトを測定し、点電荷モデルに適合させ、q = 126(11)eの有効電荷を導出する。
• UVダイオード照射を用いて表面電荷状態を調整し、電場フラクチュエーションを低減し、90 μmまでのRydbergコherencyを安定化する。
• もつれ補助センシングは、電場ベクトルに対する原子の配置に応じたRydbergブロッキングの緩和を測定することで実施する。
• 最小限の点電荷と一様背景電場のモデルを用いて電場環境を再構築し、測定された勾配データとの比較によって妥当性を検証する。
• πパルス後の|rr⟩状態の励起状態の分布を測定し、Rydberg-Rydberg相互作用強度を評価する。結果は、Pair Interaction Pythonパッケージを用いた数値シミュレーションと比較される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強い電場ノイズがある中でも、ナノスケールの誘電体デバイスから約100 μmの距離で、Rydbergコherencyともつれを維持できるか？
• RQ2 デバイス周辺の電場環境は空間的・時間的にどのように変化するか？ また、Rydberg原子をセンサとして用いることで、その環境をマッピング・制御できるか？
• RQ3 UV照射によって電場環境がどの程度安定化され、Rydbergコherency時間の延長が可能になるか？
• RQ4 デバイス由来の異方的電場がRydberg-Rydberg相互作用およびブロッキング挙動に与える影響は何か？
• RQ5 電場ノイズへの感受性を低減しつつゲート忠実度を維持できるように、Rydberg量子数nを最適化できるか？

主な発見

• SiNデバイスから90 μmの距離でもRydbergコherencyが維持され、130 μmではT₂ = 4.1(2) μsを示し、準静的電場ノイズであることが示された。
• 測定されたスペクトルシフトデータは点電荷モデルに適合し、デバイス上の有効電荷が126(11)eであると導出され、表面電荷のフラクチュエーションと整合的であった。
• UV照射により表面電荷が中和され、電場ノイズが低減し、Rydbergスペクトルシフトが安定化され、90 μmまでの整合的制御が可能になった。
• 背景電場はUV出力によって調整可能であり、160 μmでΔEₓ = −0.23(3) V/cmのシフトを示し、電場環境の制御が可能であることを示した。
• Rydbergブロッキングの緩和は異方的であり、電場ベクトルに垂直な方向でより強いブロッキング違反が観測された。数値シミュレーションとの整合性から、この結果は裏付けられた。
• Rydberg量子数をn ≈ 55に最適化することで、電場ノイズへの感受性が約5倍低減され、U/Ω ≈ 230を維持することでゲート忠実度を保持した。