[論文レビュー] Iterative assembly of $^{171}$Yb atom arrays with cavity-enhanced optical lattices

Matthew A. Norcia, Hoon Kim+48 more|arXiv (Cornell University)|Jan 29, 2024

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

ひとこと要約

原子の貯蔵庫、光ピンセット、共腔増強光格子を用いた反復的プロトコルを示し、1225サイトのターゲット配列を171Yb原子で〜99%の占有率で決定的に充填する。これにより、スケーラブルでリロード可能なニュートラル原子量子系を実現する。

ABSTRACT

Assembling and maintaining large arrays of individually addressable atoms is a key requirement for continued scaling of neutral-atom-based quantum computers and simulators. In this work, we demonstrate a new paradigm for assembly of atomic arrays, based on a synergistic combination of optical tweezers and cavity-enhanced optical lattices, and the incremental filling of a target array from a repetitively filled reservoir. In this protocol, the tweezers provide microscopic rearrangement of atoms, while the cavity-enhanced lattices enable the creation of large numbers of optical traps with sufficient depth for rapid low-loss imaging of atoms. We apply this protocol to demonstrate near-deterministic filling (99% per-site occupancy) of 1225-site arrays of optical traps. Because the reservoir is repeatedly filled with fresh atoms, the array can be maintained in a filled state indefinitely. We anticipate that this protocol will be compatible with mid-circuit reloading of atoms into a quantum processor, which will be a key capability for running large-scale error-corrected quantum computations whose durations exceed the lifetime of a single atom in the system.

研究の動機と目的

• 大規模で決定的に充填された中性原子配列のスケーラブルな組み立てを、量子計算とシミュレーションのために動機付ける。
• 光ピンセットと共腔増幅光格子を組み合わせて、迅速で高忠実度の撮像と決定的な充填を実現する。
• 最終配列サイズを単一ローディング原子供給から切り離すため、繰り返し満たされた貯蔵庫と中サイクルの再配置を用いる。
• 貯蔵庫のリローディングを介して時間とともに充填済み配列を維持することを示し、誤り訂正スキームの中断回路リロードの可能性を可能にする。

提案手法

• 原子の高速・低損失撮像のために、XYおよびZの2つの交差する光学共振腔を用いて、3Dの深い格子を作成する。
• 光ピンセット内の原子の貯蔵庫と別個のターゲット光ピンセット配列を実装し、サイト分解画像のために共腔格子へ原子を移送する。
• サイト分解蛍光イメージングを実施して占有率を約99.95%の忠実度と約2e-3の画像損失で決定する。
• イメージング結果に基づき、再配置の光ピンセットを介して貯蔵庫とターゲット配列の間で原子を循環させ、空のターゲットサイトへ移動させる。
• 新しいMOTから毎サイクル貯蔵庫をリロードしつつ、1225サイトのターゲット配列で約99%の占有率に達するようにロードサイクルを繰り返す。

Figure 1: Conceptual diagram of repeated loading sequence. A “reservoir” optical tweezer array (smaller left grid) is repeatedly filled with 171 Yb atoms transported from a spatially separated magneto-optical trap (MOT), and ultimately transferred into a “target” tweezer array (larger right grid) us

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 反復的で貯蔵庫ベースのローディング方式は、非常に大規模な原子配列をほぼ決定的に充填することを達成できるか？
• RQ2 貯蔵庫からターゲットへの引き渡しにおける各サイクルの主要な損失機序は何か、そしてそれらをどう緩和できるか？
• RQ3 継続的なリローディングとイメージングを用いて、時間とともに完全に充填された大規模配列を維持することは可能か？
• RQ4 共腔増幅光格子は、大規模配列で迅速かつ高忠実度の撮像に必要な深く・均一なトラップを提供できるか？
• RQ5 このアプローチは、スケーラブルな量子計算のための中断回路リロードとどれほど適合するか？

主な発見

• 複数のローディングサイクルにわたり、1225サイトのターゲット配列を171Yb原子で約99%の占有率で決定的に充填することに成功。
• 最大105サイトを含む貯蔵庫を、常時補充を可能にするため、常に新鮮なMOTから繰り返し読み込み、ターゲット配列の隣に配置する。
• 共腔増幅格子による撮像は、サイトごとに7 msあたり約50光子を生じ、99.95%の占有識別と1画像あたり約2e-3の原子損失をもたらす。
• 各サイクルのロード性能は、初期には1サイクルあたりターゲット配列へ約45原子が転送され、その最終的な空孔割合は、真空寿命（約30 s）に支配される、パーセントレベルの損失に近い。
• このプロトコルは、貯蔵庫の繰り返しリロードによって充填済み配列を無期限に維持することを可能にし、巨大規模の量子計算の中間回路リロードの概念と互換性がある。

Figure 2: Cavity-enhanced optical lattices for rapid low-loss imaging. (a) The intersection of two cavity modes provide three-dimensional confinement for atoms within the field of view of our high-numerical-aperture imaging system. Confinement in the $x$ and $y$ directions is provided by a self-inte