[論文レビュー] On-Demand Entanglement of Molecules in a Reconfigurable Optical Tweezer Array

Connor M. Holland, Yukai Lu+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 12, 2022

Quantum Information and Cryptography参考文献 4被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、再構成可能な光トラップアレイを用い、個々のレーザー冷却CaF分子のオンデマンドなもつれを実現した。長距離電気双極子相互作用を活用して決定的iSWAPゲートを実装し、SPAM補正済みのフィデリティ80(2)%でベル状態を生成した。これは、捕獲された分子における制御されたもつれの実現として初のものであり、分子プラットフォームを用いたスケーラブルな量子シミュレーションおよび情報処理を可能にする。

ABSTRACT

Entanglement is crucial to many quantum applications including quantum information processing, simulation of quantum many-body systems, and quantum-enhanced sensing. Molecules, because of their rich internal structure and interactions, have been proposed as a promising platform for quantum science. Deterministic entanglement of individually controlled molecules has nevertheless been a long-standing experimental challenge. Here we demonstrate, for the first time, on-demand entanglement of individually prepared molecules. Using the electric dipolar interaction between pairs of molecules prepared using a reconfigurable optical tweezer array, we realize an entangling two-qubit gate, and use it to deterministically create Bell pairs. Our results demonstrate the key building blocks needed for quantum information processing, simulation of quantum spin models, and quantum-enhanced sensing. They also open up new possibilities such as using trapped molecules for quantum-enhanced fundamental physics tests and exploring collisions and chemical reactions with entangled matter.

研究の動機と目的

• 個々の分子を制御された量子プラットフォームで決定的かつオンデマンドにもつれさせること。
• 個々の分子に対して微細な制御を行うという長年の課題を克服すること。
• 再構成可能なトラップアレイ内の分子間の coherent 電気双極子相互作用を用いて2キュービットもつれゲートを実証すること。
• ベンチマークとしての量子情報処理におけるベル状態の生成と検証すること。
• 将来的な量子シミュレーション、量子強化センシング、および基礎物理学の検証への応用を可能にすること。

提案手法

• 分子をレーザー冷却し、37個のトラップを有する再構成可能な光トラップアレイ（4.20(6) μm間隔）に荷電する。
• 非破壊的検出と再構成プロトコルにより、占有されたトラップを1次元のペア状分子アレイに再配置する。
• 光学ポンピングおよびラマン遷移を用いて、分子を1つの振動・回転状態およびスピン状態に初期化する。
• 長距離電気双極子-双極子相互作用を介して、回転状態間の coherent 電気双極子スピン交換相互作用によりiSWAPゲートを実装する。
• ベル状態のもつれを確認するため、ベル状態の粒子数不均衡を測定し、2θのモード変動を観測し、もつれと整合する可視度を確認する。
• 状態準備および測定（SPAM）誤差を補正し、真のベル状態フィデリティを抽出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 再構成可能なトラップアレイ内で、光学的制御と双極子相互作用のみを用いて、個々のレーザー冷却分子の決定的もつれを実現できるか？
• RQ2 制御された環境下で、分子キュービットを用いたオンデマンドベル状態生成のフィデリティと寿命は何か？
• RQ3 生成後に分子を空間的に分離してももつれが保持されるか、長距離接続性が可能か？
• RQ4 分子状態のコheren与双極子相互作用が、分子プラットフォームにおけるユニバーサル量子ゲートをどのように可能にするか？
• RQ5 もつれ分子状態は、もつれなし状態と比較して、計測感度をどの程度向上させるか？

主な発見

• 研究者らは、SPAM補正済みのベル状態フィデリティ80(2)%を達成し、個々の分子の高精度なオンデマンドもつれを実証した。
• ベル状態の寿命は85(5) msと測定され、単粒子デコherence時間と一致するがわずかに短かった。
• 3 msの間に分子を4.20(6) μmの距離に分離してももつれが保持されたことから、空間的移動に対して強い耐性を示した。
• 粒子数不均衡における2θモード変動はもつれの存在を確認し、分離状態と比較して計測感度が2倍向上したことを示した。
• 2θ振動の位相から、有効な交換相互作用J > 0であることが確認され、反強磁性的スピン交換相互作用であることが示された。
• 単一粒子再配置フィデリティは97.4(1)%と測定され、量子実験用の欠損なし初期化が可能になった。