[論文レビュー] Mid-circuit qubit measurement and rearrangement in a $^{171}$Yb atomic array

Matthew A. Norcia, William B. Cairncross+43 more|arXiv (Cornell University)|May 30, 2023

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 44被引用数 17

ひとこと要約

tldr: 本論文は、狭線イメージングとサイト隠しを用いてデータ量子ビットを保護し、単一種の171Ybツイーザー配列における破壊性のない、状態選択的ミッドサーキット測定を実証し、条件付き ancilla の再充填と MOT ローディングを、データ量子ビットのコヒーレンスを保持したまま示す。

ABSTRACT

Measurement-based quantum error correction relies on the ability to determine the state of a subset of qubits (ancillae) within a processor without revealing or disturbing the state of the remaining qubits. Among neutral-atom based platforms, a scalable, high-fidelity approach to mid-circuit measurement that retains the ancilla qubits in a state suitable for future operations has not yet been demonstrated. In this work, we perform imaging using a narrow-linewidth transition in an array of tweezer-confined $^{171}$Yb atoms to demonstrate nondestructive state-selective and site-selective detection. By applying site-specific light shifts, selected atoms within the array can be hidden from imaging light, which allows a subset of qubits to be measured while causing only percent-level errors on the remaining qubits. As a proof-of-principle demonstration of conditional operations based on the results of the mid-circuit measurements, and of our ability to reuse ancilla qubits, we perform conditional refilling of ancilla sites to correct for occasional atom loss, while maintaining the coherence of data qubits. Looking towards true continuous operation, we demonstrate loading of a magneto-optical trap with a minimal degree of qubit decoherence.

研究の動機と目的

• 171Yb中性原子配列において、破壊性のない、状態選択的およびサイト選択的なミッドサーキット量子ビット読み出しを実証する。
• データ量子ビットがコヒーレンスを保持したまま、選択された ancilla 量子ビットを測定できることを示す。
• 原子損失後の ancilla サイトの再充填を含む、ミッドサーキット測定に基づく条件付き操作を実証する。
• ミッドサーキット測定と ancilla の再配置中のデータ量子ビットのコヒーレンスを維持することを示す。
• データ量子ビットのコヒーレンスを保ちながら MOT のロードを検討する。

提案手法

• 3P1 mF 状態へのカップリングを介して、量子ビット状態1と0の状態選択的イメージングを可能にする、171Ybの狭線幅イメージング遷移を用いる。
• 高い状態選択性を実現しリークを抑制するために、巨大なゼーマンシフト（500 G場）を適用する。
• サイト選択的隠蔽光を用いて選択した量子ビットをイメージング光から遮蔽し、ancilla量子ビットの並列読み出しを可能にする。
• ロバですね Ramsey列内でミッドサーキット測定を行い、コヒーレンスの保持と位相シフトを定量化する。
• 可動ツイーザーで原子を再配置し、完全に充填されたサブアレイを作成し、リザーバーからの ancilla サイトの条件付き再充填を実証する。
• 実験中のMOTロードを実証して、連続運用中のコヒーレンスを評価する。

Figure 1: (a) Experimental diagram. Individual 171 Yb atoms are trapped in the sites of an optical tweezer array in the presence of a 500 Gauss magnetic field. Two high-numerical-aperture objectives allow for site-resolved imaging, and the targeted application of trapping light (483 nm wavelength) a

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 単一種の中性原子配列において、ミッドサーキットの状態選択的測定を、他の量子ビットを乱さずに一部の量子ビットに対して実行できるか？
• RQ2 サイト選択的隠蔽は、データ量子ビットのコヒーレンスを保持しつつ、ancilla量子ビットの高忠実度で破壊性のない読み出しを可能にするか？
• RQ3 複数のサイクルにわたり、データ量子ビットのコヒーレンスを損なうことなく、ancilla量子ビットを損失後に信頼性をもって再充填できるか？
• RQ4 計算中にMOTをロードして、データ量子ビットに対する許容できないデコヒーレンスを生じさせずに済むか？
• RQ5 制限となる誤差チャネルは何で、イメージング、 hiding light、原子損失は系のサイズとともにどのようにスケールするか？

主な発見

• 破壊性のない読み出しを伴う高忠実度・状態解像イメージングの171Yb量子ビット。典型的なイメージングは1サイトあたり5 msで約30光子を得る。
• 隠蔽光は最大で74 MHzの差分シフトを提供し、データ量子ビットの損失を百分率レベルに抑えつつ、ancillaのイメージングへの影響を最小化したサイト選択的マスキングを可能にする。
• ancilla量子ビットのミッドサーキット測定はデータ量子ビットに小さなコヒーレンス影響を与え、たとえばイメージングと隠蔽光下での Ramsey フリンジ位相シフトは 1.59(2) rad、コントラスト低下は 1.3(8)%。
• ancilla量子ビットはリザーバーから再充填され、16回のイメージング/再配置サイクルまで ancilla充填を>98%に維持でき、データ量子ビットのコントラスト損失はサイクルあたり約0.9(1)%程度。
• MOTロード中もデータ量子ビットのコヒーレンスは保持され、MOT散乱光に起因する新たなデコヒーレンス率は0.03(2)/s。
• 連続運用へ向けた道を開く、制限されたデコヒーレンスで磁気光学トラップがロード可能であることを示した。

Figure 2: Coherence-preserving mid-circuit measurement of sub-array. (a) Experimental sequence for characterizing mid-circuit measurement, with operations performed on data sites indicated in the upper row and operations performed on ancilla sites in the lower row. Measurements are performed on anci