[論文レビュー] Dipolar spin-exchange and entanglement between molecules in an optical tweezer array

Yicheng K. Bao, Scarlett S. Yu+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 17, 2022

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 13

ひとこと要約

本論文は、光学トゥイザー配列内の個々のCaF分子間で長距離の双極子スピン交換相互作用を実証し、ベル状態の決定的生成を達成した。量子化軸の角度と分子間隔を調整することで、有効スピン1/2 XYモデルにおいて、チューナブルな強磁性および反強磁性相互作用を実現し、マイクロ波制御とダイナミカルデカップリングを用いて高精度な2キュービット iSWAP ゲートを達成した。

ABSTRACT

Due to their intrinsic electric dipole moments and rich internal structure, ultracold polar molecules are promising candidate qubits for quantum computing and for a wide range of quantum simulations. Their long-lived molecular rotational states form robust qubits while the long-range dipolar interaction between molecules provides quantum entanglement. Using a molecular optical tweezer array, single molecules can be moved and separately addressed for qubit operations using optical and microwave fields, creating a scalable quantum platform. Here, we demonstrate long-range dipolar spin-exchange interactions in pairs of CaF molecules trapped in an optical tweezer array. We control the anisotropic interaction and realize the spin-$\frac{1}{2}$ quantum XY model by encoding an effective spin-$\frac{1}{2}$ system into the rotational states of the molecules. We demonstrate a two-qubit (two-molecule) gate to generate entanglement deterministically, an essential resource for all quantum information applications. Employing interleaved tweezer arrays, we demonstrate high fidelity single site molecular addressability.

研究の動機と目的

• 超低温の極性分子間で、制御可能でスケーラブルなプラットフォーム上で、コherentで長距離の双極子スピン交換相互作用を実現すること。
• 単一分子アドレス可能な光学トゥイザー配列内で、双極子相互作用を用いて決定的2キュービットエンタングルメントを実証すること。
• 分子の量子化軸と分子間軸の間の角度を制御することで、磁性結合（強磁性から反強磁性へ）をチューニングすること。
• インターリーブドトゥイザー配列アーキテクチャを用いて、高精度な1サイトアドレス指定とゲート操作を可能にすること。
• 特に熱運動によるデコherenceの原因を特定・低減することで、ゲートの精度を向上させること

提案手法

• 多重周波数波形を磁気走査型光デバイス（AOD）に印加することで形成される1次元光学トゥイザー配列を用い、個々の分子トラップの位置と深さを精密に制御した。
• CaF分子の回転状態にスピン1/2系を符号化し、マイクロ波および光学場を用いて、量子ビット状態をコherentに操作・読み出しした。
• ゲート操作中のデコherenceを抑制するためにXY8ダイナミカルデカップリングパulsesを適用し、コherenceと精度を向上させた。
• 磁気的量子化軸と分子間軸の間の角度を調整することで、双極子相互作用の符号と強度を制御し、強磁性および反強磁性結合を実現した。
• インターリーブド二重AODトゥイザー配列を用いて、奇数番目と偶数番目のサイトのトラップ深さを独立して制御し、マイクロ波アドレス指定を可能にした。これにより、堅牢な1サイト制御が実現した。
• 有効スピン交換ハミルトニアン H_dip に従って時間発展する |↑↓⟩ と |↓↑⟩ 状態間のパリティ振動測定により、エンタングルメントの精度を測定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 個別にトラップされた2つのCaF分子間で、光学トゥイザー配列内において、長距離の双極子スピン交換相互作用をコherentに制御できるか？
• RQ2 分子の量子化軸の向きを調整することで、相互作用を強磁性と反強磁性の間でチューニングできるか？
• RQ3 この系において、双極子交換を用いた決定的2キュービットエンタングルメント生成の精度はどの程度か？
• RQ4 トゥイザー内の分子の熱運動は、ゲート精度をどのように制限するか？また、制御と冷却の向上によってこれを緩和できるか？
• RQ5 スケーラブルなトゥイザー配列アーキテクチャにおいて、1サイトアドレス指定と高速ゲート操作を達成できるか？

主な発見

• 本系は、量子化軸と分子間軸の間の角度を制御することで、CaF分子間のチューナブルな双極子スピン交換相互作用を実現した。
• θ = 0° で強磁性結合（負の J）が観測され、θ = 90° で反強磁性結合（正の J）がパリティ振動測定により確認された。
• 決定的 iSWAP 2キュービットゲートが実装され、ベル状態が生成されたが、その精度は主にトラップ内の熱運動に制限された。
• インターリーブドトゥイザー配列を用いることで、独立したマイクロ波アドレス指定とクロストークの低減が可能になり、生成されたベル状態の精度が向上した。
• 高い可視度でラビ振動およびスピン交換振動が観測され、有効スピン1/2系のコherent制御が確認された。
• 双極子相互作用および分子回転状態のコherence時間は有限温度に起因して制限されており、今後のラマンサイドバンド冷却によってゲート精度を顕著に向上できると示唆された。