[論文レビュー] Optimal self-assembly of Rydberg excitations for quantum gate operations

Martin Gärttner, Kilian P. Heeg+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 13, 2012

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 1

ひとこと要約

本論文では、超冷却原子クラウドにおけるRydberg励起状態の最適自己組織化を誘発するため、連続波非共鳴レーザー駆動を提案する。これにより、調整可能な空間相関を持つ非対称な励起構造が形成される。Rydberg遮断と幾何配置を活用することで、個々の原子の外部制御なしに、3原子のCSWAP（Fredkin）量子ゲートを効率的に実現可能である。

ABSTRACT

The dynamics of a cloud of ultra-cold two-level atoms is studied at off-resonant laser driving to a Rydberg state. We find that resonant excitation channels lead to strongly peaked spatial correlations associated with the buildup of asymmetric excitation structures. These aggregates can extend over the entire ensemble volume, but are in general not localized relative to the system boundaries. The characteristic distances between neighboring excitations depend on the laser detuning and on the interaction potential. These properties lead to characteristic features in the spatial excitation density, the Mandel $Q$ parameter, and the total number of excitations. As an application an implementation of the three-atom CSWAP or Fredkin gate with Rydberg atoms is discussed. The gate not only exploits the Rydberg blockade, but also utilizes the special features of an asymmetric geometric arrangement of the three atoms. We show that continuous-wave off-resonant laser driving is sufficient to create the required spatial arrangement of atoms out of a homogeneous cloud.

研究の動機と目的

• 非共鳴レーザー駆動が超冷却Rydberg原子において自己組織化された励起パターンをどのように誘発するかを調査すること。
• レーザーの周波数オフセットと相互作用ポテンシャルが、Rydberg励起状態の空間相関に果たす役割を理解すること。
• 集団的励起ダイナミクスを用いて、3原子のCSWAPゲートをスケーラブルに作成する方法を示すこと。
• 連続波駆動が均一なクラウドから必要な非対称な原子配置を生成可能であることを示すこと。
• ゲートの忠実度を評価する指標として、空間励起密度、Mandel Qパラメータ、総励起数を用いること。

提案手法

• Rydberg状態への連続波非共鳴レーザー励起下における二準位原子系のダイナミクスをモデル化する。
• Rydberg遮断効果を用いて、遮断半径内での多重励起を抑制する。
• 共鳴励起チャネルと電気双極子-双極子相互作用に起因する空間励起相関を分析する。
• レーザー周波数オフセットを調整することで、励起間隔の特徴的距離と構造の非対称性を制御する。
• 励起統計と相関強度のプローブとして、Mandel Qパラメータと総励起数を用いる。
• 自己組織化によって形成された非対称幾何配置を活用して、3原子のCSWAPゲートを設計する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 レーザー周波数オフセットと相互作用ポテンシャルが、Rydberg励起状態の空間相関構造にどのように影響するか？
• RQ2 連続波非共鳴駆動が均一な原子クラウドにおいて自己組織的で非対称な励起パターンを誘発できるか？
• RQ3 空間励起密度とMandel Qパラメータが、自己組織化された励起構造を特徴付ける上で果たす役割は何か？
• RQ4 自己組織化された励起幾何配置をどのように活用して3体量子ゲートを実装できるか？
• RQ5 自己組織化プロセスは、個々のキュービットのアドレス指定なしに、どの程度ゲート操作を可能にするか？

主な発見

• 共鳴励起チャネルは、集団的励起凝集体を形成し、全エンsemblesにわたる強く鋭い空間相関を引き起こす。
• 励起間の特徴的距離は、レーザー周波数オフセットと相互作用ポテンシャルによって調整可能である。
• 空間励起密度、Mandel Qパラメータ、総励起数は、すべて自己組織化構造に特徴的なシグネチャを示す。
• 自己組織化された励起パターンにより、連続波非共鳴駆動のみで3原子のCSWAPゲートが実装可能である。
• Fredkinゲートに必要な非対称幾何配置が、原子クラウドのダイナミクスから自然に出現する。外部のサイト特異的制御は不要である。
• 本手法は、Rydberg遮断と集団的自己組織化励起パターンの組み合わせにより、ゲート操作を達成する。