[논문 리뷰] A tweezer array with 6100 highly coherent atomic qubits

Hannah J. Manetsch, Gyohei Nomura외 4명|arXiv (Cornell University)|2024. 03. 18.

Quantum Information and Cryptography인용 수 16

한 줄 요약

이 논문은 11,998개의 사이트를 가진 광학 트랩 어레이를 통해 6,100개 이상의 세슘-133 원자를 고도로 공명하는 초융합 큐비트로 갇히게 하여 기록적인 12.6(1)초의 공명 시간과 >99.99%의 정밀도로 99.98952(1)%의 영상 유지율을 달성하였다. 이 시스템은 장시간 지속되는 고정밀도 운영이 가능하며, 대규모 공간에서의 공명 이동 및 취급/해제 기능을 제공하여 보편적인 양자 컴퓨팅과 양자 오류 수정을 위한 확장 가능한 플랫폼을 확립한다.

ABSTRACT

Optical tweezer arrays have transformed atomic and molecular physics, now forming the backbone for a range of leading experiments in quantum computing, simulation, and metrology. Typical experiments trap tens to hundreds of atomic qubits, and recently systems with around one thousand atoms were realized without defining qubits or demonstrating coherent control. However, scaling to thousands of atomic qubits with long coherence times, low-loss, and high-fidelity imaging is an outstanding challenge and critical for progress in quantum science, particularly towards quantum error correction. Here, we experimentally realize an array of optical tweezers trapping over 6,100 neutral atoms in around 12,000 sites, simultaneously surpassing state-of-the-art performance for several metrics that underpin the success of the platform. Specifically, while scaling to such a large number of atoms, we demonstrate a coherence time of 12.6(1) seconds, a record for hyperfine qubits in an optical tweezer array. We show room-temperature trapping lifetimes of 23 minutes, enabling record-high imaging survival of 99.98952(1)% with an imaging fidelity of over 99.99%. We present a plan for zone-based quantum computing and demonstrate necessary coherence-preserving qubit transport and pick-up/drop-off operations on large spatial scales, characterized through interleaved randomized benchmarking. Our results, along with recent developments, indicate that universal quantum computing and quantum error correction with thousands to tens of thousands of physical qubits could be a near-term prospect.

연구 동기 및 목표

• 고조도 공명과 정밀도를 유지하면서 중성 원자 양자 시스템을 수천 개의 큐비트로 확장하는 것.
• 큰 어레이에서 장수명 공명 시간과 낮은 손실 작동을 달성하여 양자 컴퓨팅의 확장성 문제를 해결하는 것.
• 실온 광학 트랩 시스템에서 6,100큐비트 규모에서 공명 제어, 이동 및 영상 정밀도를 입증하는 것.
• 고정밀도, 확장 가능하고 재구성 가능한 큐비트 제어를 갖춘 플랫폼을 구축하여 보편적인 양자 컴퓨팅과 양자 오류 수정을 가능하게 하는 것.

제안 방법

• 1055 nm 및 1061 nm 파장의 원거리 공명 광학 트랩을 사용하여 실온 진공 캐비티에서 단일 세슘-133 원자를 갇히는 것.
• 서로 수직된 편광을 가진 두 개의 공간 광학 조절 장치(SLM)를 사용하여 11,998개의 사이트를 가진 재구성 가능한 트랩 어레이를 생성하는 것.
• 고출력, 저손실 갇힘 기술을 적용하여 약 23분의 진공 제한 수명을 확보하는 것.
• qCMOS 카메라를 사용한 단일 원자 영상 촬영을 수행하여 >99.99%의 영상 정밀도와 99.98952(1)%의 생존 확률을 달성하는 것.
• 대규모 거리에서의 공명 이동 및 트랩 이동 정밀도를 평가하기 위해 교차 배치된 무작위 기준화 방법을 적용하는 것.
• 확장 가능하고 모듈러한 운영을 지원하는 영역 기반 양자 컴퓨팅 아키텍처를 설계하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 광학 트랩 어레이가 6,000개 이상의 큐비트로 확장될 수 있으며, 공명 시간이 10초를 초과하는가?
• RQ2 수천 개의 원자를 포함하는 대규모 실온 트랩 어레이에서 최대 영상 생존율과 정밀도는 얼마인가?
• RQ3 이러한 시스템에서 대규모 공간에서 공명 큐비트 이동 및 취급/해제 작동이 유지되는가?
• RQ4 환경 조건에서 고밀도 대규모 중성 원자 어레이에서의 공명 및 손실의 한계는 무엇인가?
• RQ5 이 플랫폼은 대규모에서 보편적인 양자 컴퓨팅과 양자 오류 수정을 위한 요구 조건을 충족시킬 수 있는가?

주요 결과

• 이 시스템은 광학 트랩 어레이에서 기록적인 초융합 큐비트 공명 시간 12.6(1)초를 달성하여 이전 결과를 뛰어넘었다.
• 단일 원자 영상 생존율은 99.98952(1)%로, 이러한 대규모 어레이에서 보고된 바 중 최고 수준이었다.
• 영상 정밀도는 99.99%를 초과하여 측정값 99.99374(8)%를 기록하여 대규모 시스템의 새로운 기준을 설정하였다.
• 실온 장치에서 진공 제한 갇힘 수명이 22.9(1)분으로 측정되어 장시간 운영이 가능하도록 하였다.
• 대규모 거리에서 고정밀도로 공명 이동 및 트랩 이동이 이루어졌으며, 교차 배치된 무작위 기준화 방법으로 검증되었다.
• 이 플랫폼는 영역 기반 양자 컴퓨팅 아키텍처를 지원하여 고장 내성 양자 계산에 필수적인 확장 가능하고 모듈러한 운영을 가능하게 하였다.