[논문 리뷰] Dipolar spin-exchange and entanglement between molecules in an optical tweezer array

Yicheng K. Bao, Scarlett S. Yu외 5명|arXiv (Cornell University)|2022. 11. 17.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 광학 트랩 어레이 내에서 개별 CaF 분자 간에 장거리 디폴라 스핀-교환 상호작용을 구현하고, 벨 상태의 결정론적 양자 얽힘을 생성함을 보여준다. 양자화 축의 각도와 분자 간격을 조절함으로써, 효과적인 스핀-1/2 XY 모델에서 가변적인 페로자성 및 반자성 상호작용을 실현하였으며, 마이크로파 제어와 동적 분리 방법을 통해 고신뢰도의 두 큐비트 iSWAP 게이트를 구현하였다.

ABSTRACT

Due to their intrinsic electric dipole moments and rich internal structure, ultracold polar molecules are promising candidate qubits for quantum computing and for a wide range of quantum simulations. Their long-lived molecular rotational states form robust qubits while the long-range dipolar interaction between molecules provides quantum entanglement. Using a molecular optical tweezer array, single molecules can be moved and separately addressed for qubit operations using optical and microwave fields, creating a scalable quantum platform. Here, we demonstrate long-range dipolar spin-exchange interactions in pairs of CaF molecules trapped in an optical tweezer array. We control the anisotropic interaction and realize the spin-$\frac{1}{2}$ quantum XY model by encoding an effective spin-$\frac{1}{2}$ system into the rotational states of the molecules. We demonstrate a two-qubit (two-molecule) gate to generate entanglement deterministically, an essential resource for all quantum information applications. Employing interleaved tweezer arrays, we demonstrate high fidelity single site molecular addressability.

연구 동기 및 목표

• 초냉각 극성 분자 간에 조절 가능하고 확장 가능한 플랫폼에서 공명적이고 장거리 디폴라 스핀-교환 상호작용을 실현하기 위해.
• 단일 분자 주소 지정이 가능한 광학 트랩 어레이에서 디폴라 상호작용을 이용한 결정론적 두 큐비트 얽힘을 입증하기 위해.
• 분자의 양자화 축과 분자 간 축 사이의 각도를 제어하여 자기적 결합을 페로자성에서 반자성으로 가변적으로 제어하기 위해.
• 인터리브드 트랩 어레이 아키텍처를 통해 고신뢰도의 단일 사이트 주소 지정과 게이트 작동을 가능하게 하기 위해.
• 특히 열운동에 의한 비편향 원인을 식별하고 이를 완화함으로써 게이트 신뢰도를 향상시키기 위해.

제안 방법

• 다중 톤 웨이브폼을 액ousto-optic deflector(AOD)에 적용하여 1차원 광학 트랩 어레이를 형성함으로써, 개별 분자 트랩의 위치와 깊이를 정밀하게 제어한다.
• CaF 분자의 회전 상태에 스핀-1/2 시스템을 인코딩하고, 마이크로파 및 광학 필드를 사용하여 큐비트 상태를 공명적으로 조작하고 읽어낸다.
• 게이트 작동 중 위상 분리 현상을 억제하기 위해 XY8 동적 분리 펄스를 적용함으로써, 공명성과 신뢰도를 향상시킨다.
• 자기 양자화 축과 분자 간 축 사이의 각도를 조절하여 디폴라 상호작용의 부호와 강도를 제어함으로써, 페로자성 및 반자성 결합을 실현한다.
• 홀수 및 짝수 번호의 위치를 별도로 제어할 수 있는 인터리브드 이중-AOD 트랩 어레이를 사용하여, 독립적인 트랩 깊이 제어와 마이크로파 주소 지정을 가능하게 하여 강력한 단일 사이트 제어를 실현한다.
• 효과적인 스핀-교환 해밀토니안 H_dip에 의해 지배되는 시간 진화를 기반으로, |↑↓⟩ 및 |↓↑⟩ 상태 간의 파리티 진동 측정을 통해 얽힘 신뢰도를 측정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 광학 트랩 어레이 내에서 개별적으로 트랩된 두 개의 CaF 분자 간에 장거리 디폴라 스핀-교환 상호작용을 공명적으로 제어할 수 있는가?
• RQ2 분자의 양자화 축의 방향을 조절하여 상호작용을 페로자성과 반자성 특성 간에 가변적으로 제어할 수 있는가?
• RQ3 이 시스템에서 디폴라 교환을 통해 결정론적 두 큐비트 얽힘 생성의 신뢰도는 얼마인가?
• RQ4 트랩 내 분자의 열운동은 게이트 신뢰도를 어떻게 제한하며, 향상된 제어 및 냉각으로 이를 완화할 수 있는가?
• RQ5 확장 가능한 트랩 어레이 아키텍처에서 단일 사이트 주소 지정과 빠른 게이트 작동을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 시스템은 양자화 축과 분자 간 축 사이의 각도를 조절하여 상호작용 강도와 부호를 제어함으로써, CaF 분자 간에 가변적인 디폴라 스핀-교환 상호작용을 실현하였다.
• θ = 0°에서 페로자성 결합(J가 음수)이 관측되었고, θ = 90°에서 반자성 결합(J가 양수)이 파리티 진동 측정을 통해 확인되었다.
• 결정론적 iSWAP 두 큐비트 게이트가 구현되었으며, 측정된 신뢰도는 주로 트랩 내 열운동에 의해 제한되었다.
• 인터리브드 트랩 어레이를 사용함으로써, 독립적인 마이크로파 주소 지정과 교란 감소가 가능해져 벨 상태 생성의 신뢰도가 향상되었다.
• 고해상도의 라비 진동과 스핀-교환 진동이 관측되어, 효과적인 스핀-1/2 시스템의 공명 제어를 확인하였다.
• 디폴라 상호작용과 분자의 회전 상태의 공명 시간은 유한한 온도에 의해 제한되며, 향후 Raman 사이드밴드 냉각을 통해 게이트 신뢰도를 크게 향상시킬 수 있음을 시사한다.