[論文レビュー] Scalable multilayer architecture of assembled single-atom qubit arrays in a three-dimensional Talbot tweezer lattice

Malte Schlosser, Sascha Tichelmann+5 more|arXiv (Cornell University)|Feb 14, 2019

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

ひとこと要約

本論文は、マイクロレンズアレイが生成するタロップ光トラップ格子を用いて、1原子の量子ビット配列のスケーラブルな3次元マルチレイヤー構造を提示する。この構造は、タロップ自己像効果を活用することで、追加のハードウェアを用いずに2次元光トラップ配列を複数の軸方向の平面へ拡張する。このプラットフォームにより、複数のレイヤーにわたる欠険のない原子配列の組み立てが可能となり、1つの2次元レイヤーあたり750以上もの量子ビットサイトを実現し、3次元で10,000以上の量子ビットサイトにスケーラブルにアクセス可能となる。また、設定可能なトラップトポロジーと動的サブラティススアドレッシングも可能である。

ABSTRACT

We report on the realization of a novel platform for the creation of large-scale 3D multilayer configurations of planar arrays of individual neutral-atom qubits: a microlens-generated Talbot tweezer lattice that extends 2D tweezer arrays to the third dimension at no additional costs. We demonstrate the trapping and imaging of rubidium atoms in integer and fractional Talbot planes and the assembly of defect-free atom arrays in different layers. The Talbot self-imaging effect for microlens arrays constitutes a structurally robust and wavelength-universal method for the realization of 3D atom arrays with beneficial scaling properties. With more than 750 qubit sites per 2D layer, these scaling properties imply that 10000 qubit sites are already accessible in 3D in our current implementation. The trap topology and functionality are configurable in the micrometer regime. We use this to generate interleaved lattices with dynamic position control and parallelized sublattice addressing of spin states for immediate application in quantum science and technology.

研究の動機と目的

• 大規模な3次元個々の中性原子量子ビット配列のためのスケーラブルで構造的に頑健なプラットフォームの開発を目的とする。
• 2次元光トラップ配列のスケーラビリティの限界を、タロップ効果を用いて第3の次元へ拡張することにより克服することを目的とする。
• 設定可能なトラップトポロジーと動的制御を備えた、複数のレイヤーにわたる高精度で欠陥のない原子配列の組み立てを可能とすることを目的とする。
• 調整可能な相互作用と並列化されたサブラティススアドレッシングを備えた、スケーラブルな量子シミュレーションと計算を実現することを目的とする。

提案手法

• 焦点面に2次元周期的なガウスビームアレイを生成するため、マイクロレンズアレイ（MLA）を用い、タロップ自己像効果のための入射パターンを形成する。
• 中継光学系を用いて焦点面を再像形成し、縮小像を形成することで、トラップピッチ、深さ、タロップ長を設定可能にする。
• タロップ効果を活用し、$ z_T/2 $ の軸方向間隔で周期的な自己像（タロップ平面）を生成し、入射面と同一の平面内幾何学的形状を持つ3次元マルチレイヤー格子を形成する。
• 設定可能なビームアレイと空間光変調を用いて、動的位置制御とインターリーブド格子構成を実装する。
• 蛍光イメージングを用いて、整数および分数のタロップ平面における1原子占有状態を検出および検証する。
• 製造上の不確実性がMLAパラメータに与える影響を定量化するため、統計的許容度解析を実施し、複数の平面におけるトラップ強度、位置、安定性への影響を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1つの2次元マイクロレンズアレイ源から、タロップ効果を活用してスケーラブルな3次元マルチレイヤー光トラップ格子を構築できるか？
• RQ2 マイクロレンズアレイおよびビームパラメータの製造公差が、3次元トラップ配列の安定性と均一性に及ぼす影響はどの程度か？
• RQ3 高精度で欠陥のない1原子配列が、複数のタロップ平面にわたって組み立てられ、イメージング可能か？
• RQ4 自己像形成プロセスは、初期の2次元トラップ配列の不完全性をどのように緩和するか？また、高次の平面におけるトラップ品質はどの程度向上するか？
• RQ5 このプラットフォームを用いて、3次元で実現可能な最大のスケーラブルな量子ビット数は何か？また、動的制御とサブラティススアドレッシングは実装可能か？

主な発見

• タロップ光トラップ格子により、追加のハードウェアコストなしに、1原子の量子ビット配列の3次元マルチレイヤー配列が実現可能である。
• 1つの2次元レイヤーあたり750以上の量子ビットサイトが達成され、現在の実装で3次元で10,000以上の量子ビットサイトにスケーリング可能である。
• 整数および分数のタロップ平面において、欠陥のない原子配列が成功裏に組み立てられ、高精度なサイト占有が確認された。
• 統計的許容度解析の結果、MLAおよびビームパラメータの不具合が高次のタロップ平面で顕著に緩和されており、光トラップ強度の標準偏差が $ \bar{\rho}_I = 0.05 $ まで低下し、理想値からの偏差が1％未満に抑えられている。
• 横方向および軸方向のトラップ位置の不確実性は、トラップサイズの数パーセントのオーダーであり、複数の平面にわたる高い位置安定性を示している。
• 自己像形成プロセスは自己修復メカニズムとして機能し、入射ビームおよびMLAの不完全性の影響を低減しており、特に入射源から離れた主平面（$ T_0 $）において顕著である。