[論文レビュー] Erasure-cooling, control, and hyper-entanglement of motion in optical tweezers

Adam L. Shaw, Pascal Scholl+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 27, 2023

Quantum Information and Cryptography被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、光学トランチューザーにおいて、運動励起状態を検出可能で局所化されたエラー（消去）に変換する、種に依存しない消去冷却技術を示している。この技術により、98.4%の精度で基底状態の準備が可能となり、従来のサイドバンド冷却を上回り、中間回路での測定、運動状態の量子操作、運動と光学キュービットのハイパーエンタングルメントを可能にした。光学ベル状態の精度は93%に達し、パリティ振動を用いて運動エンタングルメント状態の検証がなされた。

ABSTRACT

Coherently controlling the motion of single atoms in optical tweezers would enable new applications in quantum information science. To demonstrate this, we first prepare atoms in their motional ground state using a species-agnostic cooling mechanism that converts motional excitations into erasures -- errors with a known location. This cooling mechanism fundamentally outperforms idealized traditional sideband cooling, which we experimentally demonstrate. By coherently manipulating the resultant pure motional state, we perform mid-circuit readout and mid-circuit erasure detection via local shelving into motional superposition states. We finally entangle the motion of two atoms in separate tweezers and generate hyper-entanglement by preparing a simultaneous Bell state of motional and optical qubits, unlocking a large new class of quantum operations with neutral atoms.

研究の動機と目的

• 運動自由度のエラー訂正による消去を用いた、光学トランチューザー内での種に依存しない冷却機構の開発。
• 中間回路での測定と量子情報処理を可能にするため、運動状態の量子操作の実現。
• 分離した2原子間の運動のエンタングルメントを実証し、同時に運動と光学キュービットをエンタングルしてハイパーエンタングルメントを生成すること。
• 新しい冷却法を理想化されたサイドバンド冷却と比較し、実験的にその優位性を検証すること。
• 故障耐性のある量子コンピューティング、計測、量子通信への応用を探索し、ハイパーエンタングルド状態を用いること。

提案手法

• 励起された運動状態を電子基底状態に選択的に転送することで、運動励起状態を検出可能で位置が特定できるエラー（消去）に変換する冷却プロトコルを実装する。
• 擬似スピン状態 |↓⟩ の選択的イメージングを用い、運動基底状態にいる系には影響を与えずに、運動励起状態にある原子を検出する。
• スピン-運動変換ステップを適用し、内部状態と運動状態をエンタングルさせ、状態依存の蛍光を用いて運動励起状態の検出を可能にする。
• 運動状態の重ね合わせを準備し、局所的シェルビングと検出を用いて状態を測定することで、中間回路での測定を実現する。
• Rydberg媒介相互作用を用いて、別々のトランチューザー内の2原子の電子状態を制御Zゲートでエンタングルする。
• トラップ深さの違いを制御的に変化させることでパリティ振動を誘発し、偶数パリティと奇数パリティの運動ベル状態を区別することで、運動エンタングルメントを検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光学トランチューザー内での運動励起状態を、検出可能で位置が特定できる消去に変換することで、種に依存しない基底状態冷却が可能になるか？
• RQ2 実験的条件下で、消去冷却の性能は理想化されたサイドバンド冷却と比べてどうなるか？
• RQ3 運動状態の重ね合わせを用いて、光学キュービットの中間回路での測定が可能になるか？
• RQ4 運動と電子キュービットを同時にエンタングルさせ、ハイパーエンタングルメントを生成できるか？
• RQ5 エンタングルド運動状態の準備を確認する実験的兆候は何か？ 他の状態とどのように区別できるか？

主な発見

• 消去冷却プロトコルは、後処理選択なしで0.984+4-5、後処理選択ありで0.995+3-4の運動基底状態占有率を達成し、高精度な基底状態準備を実証した。
• 実験的比較とシミュレーションにより、浅いトランチューザーにおいても、新しい冷却法が理想化されたサイドバンド冷却を体系的に上回ることを確認した。
• 運動状態の重ね合わせと選択的検出を用いることで、光学キュービットの中間回路測定が達成され、リアルタイムの状態モニタリングが可能となった。
• 電子自由度におけるベル状態のSPAM補正なしの精度は0.93+2-2に達し、パリティ振動のコントラストは0.89+1-1であった。
• 奇数パリティ運動ベル状態 |Φ⁺,↑↑⟩ に対してパリティ振動が観測され、その準備が確認された。一方、|Ψ⁺,↑↑⟩ に対しては顕著な振動は観測されず、制御されたトラップ深さの違いにより検証された。
• トラップ深さを変化させた後のパリティ振動による運動エンタングルメントの実験的検証により、真正のエンタングルド運動状態の準備が確認され、偶数パリティ状態と奇数パリティ状態の明確な区別がなされた。