[논문 리뷰] A Mølmer-Sørensen Gate with Rydberg-Dressed Atoms

Michael Martin, Yuan‐Yu Jau외 4명|arXiv (Cornell University)|2021. 11. 29.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 단일 광자 라이드버그 드레싱을 사용하여 두 중성 원자 간의 Mølmer-Sørensen 얽힘 게이트를 구현함으로써, 아디아바틱 드레싱을 통해 비가역성을 억제함으로써 고신뢰도의 얽힘을 달성한다. 게이트는 원자 운동, 레이저 노이즈 및 빛 이완에 대해 강건하며, 실험적 신뢰도는 주로 레이저 주파수 노이즈와 자발적 붕괴로 제한되며, 향후 최적화로 95% 이상의 신뢰도를 달성할 가능성이 있다.

ABSTRACT

Neutral atoms are building blocks of ground-up quantum many-body systems. Well-controlled and high-fidelity entangling gates are an essential component for realizing complex neutral atom architectures for quantum computing, quantum simulation, and measurement with precision better than the standard quantum limit. In this Letter we report the realization of a Mølmer-Sørensen unitary between two neutral atoms, based on adiabatic single-photon dressing to Rydberg levels. We show that this technique is highly robust to noise sources and experimental imperfections that have limited the fidelity of other approaches to neutral atom gates.

연구 동기 및 목표

• 기존의 라이드버그 기반 접근 방식의 한계를 극복하는 중성 원자용 고신뢰도 얽힘 게이트를 개발하는 것.
• 이전의 방법에서 성능을 떨어뜨리는 원자 운동, 레이저 노이즈 및 빛 이완으로 인한 비가역성 문제를 해결하는 것.
• 기본 상태 원자를 라이드버그 상태로 아디아바틱 단일 광자 드레싱을 통해 Mølmer-Sørensen 게이트를 실현함으로써 강건한 두 큐비트 연산을 가능하게 하는 것.
• 정적 및 동적 레이저 데티uning 오차로 인한 위상 분리 현상을 줄이기 위해 스피너 이코(topology)를 도입하는 것.
• 빔 포인팅 및 강도 기울기와 같은 실험적 불완전성에 대한 민감도를 감소시켜 스케일러블 양자 아키텍처를 가능하게 하는 것.

제안 방법

• 기본 상태 원자를 라이드버그 상태로 아디아바틱 단일 광자 드레싱하여, 드레싱 상태의 에너지 이완을 통해 효과적인 스핀-스핀 상호작용을 생성한다.
• 상호작용 해밀토니안을 설계하여 드레싱 상태의 에너지 간격이 집합 스핀 상태에 따라 달라지게 하여 제어된-위상 연산을 가능하게 한다.
• 단일 원자 빛 이완을 상쇄하고 레이저 주파수 노이즈로 인한 위상 분리 현상을 억제하기 위해 스피너 이코 시퀀스를 적용한다.
• 게이트 유니터리 연산은 $\hat{U}_{\mathrm{MS}} = \exp[-i\phi_{J}\hat{S}_{y}^{2}]$ 로 표현되며, $\phi_J$ 는 시간에 따라 변하는 라비 결합 $\Omega$ 와 데티닝 $\Delta$ 를 통해 누적된다.
• 상호작용 강도 $J^\pm$ 는 드레싱 라미지 측정을 통해 추출되었으며, $c_6 = 25(1)\;\mathrm{GHz} \cdot \mu\mathrm{m}^6$ 로 도출되었다.
• 비대칭 전환 시간을 방지하기 위해 대칭적인 두 펄스 시퀀스를 사용하여 비아디아바틱 및 정적 위상 오차의 이코 상쇄 효과를 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 광자 라이드버그 드레싱을 사용하여 이중 광자 전이 대신 중성 원자에서 Mølmer-Sørensen 게이트를 실현할 수 있는가?
• RQ2 기존의 라이드버그 차단 게이트에 비해 라이드버그 드레싱은 원자 운동과 레이저 노이즈에 대해 얼마나 더 강건한가?
• RQ3 드레싱 상태 원자 시스템에서 레이저 주파수 변동으로 인한 위상 분리 현상을 스피너 이코 구조가 어느 정도 억제할 수 있는가?
• RQ4 이 게이트 프로토콜에서 주로 기인하는 실현 불가능성의 원인은 무엇이며, 레이저 안정성 향상 또는 아디아바틱성에 도달하는 데 필요한 단순화 기법으로 이를 완화할 수 있는가?
• RQ5 이 접근 방식은 기존의 최고 수준의 중성 원자 게이트 수준의 고신뢰도 얽힘을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 실험적으로 단일 광자 라이드버그 드레싱을 통한 Mølmer-Sørensen 게이트가 실현되었으며, 측정된 상호작용 강도는 $J^+ = 2\pi \times 2.95(5)$ MHz 이고 $c_6 = 25(1)\;\mathrm{GHz} \cdot \mu\mathrm{m}^6$ 로 도출되었다.
• 게이트의 신뢰도는 주로 레이저 주파수 노이즈로 제한되며, 이는 비정적 데티닝과 $J(\Delta,\Omega)$ 의 변동으로 인해 약 5–10%의 신뢰도 감소를 초래한다.
• 300 K에서 수명이 170 μs일 경우 라이드버그 상태에서의 자발적 붕괴는 약 0.25%의 오차 확률을 기여하며, 이는 라비 주파수를 증가시키거나 아디아바틱성에 도달하는 단순화 기법을 사용함으로써 감소시킬 수 있다.
• 측정 오차 보정을 적용한 페어리티 측정을 통해 사인파 피팅을 통해 $|\rho_{00,11}|$ 를 추출하였으며, 이는 얽힌 상태의 높은 위상 일관성을 나타낸다.
• 단일 광자 및 아디아바틱 드레싱 기법을 사용함으로써 원자 운동과 강도 기울기의 영향에 대해 강력한 면역성을 보였다.
• 이론적 분석에 따르면 레이저 안정성 향상과 더 빠른 램프링을 통해 95% 이상의 게이트 신뢰도를 달성할 수 있다.