[논문 리뷰] Erasure-cooling, control, and hyper-entanglement of motion in optical tweezers

Adam L. Shaw, Pascal Scholl외 4명|arXiv (Cornell University)|2023. 11. 27.

Quantum Information and Cryptography인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 광학 트랩에서 운동 자유도에 대해 종류에 관계없이 적용 가능한 에러 제거 냉각 기법을 제시하며, 운동적 흥분 상태를 감지 가능하고 국소화된 오류(에러 제거)로 변환함으로써 기저 상태 준비를 98.4%의 정밀도로 가능하게 한다. 이 방법은 전통적인 사이드밴드 냉각을 능가하며, 중간 회로 읽기, 운동 양자초기화 상태의 조작, 운동과 광학 큐비트 간의 초양자 얽힘을 가능하게 하여 광학 벨 상태에 대해 93%의 정밀도를 달성하고, 파리티 진동을 통해 운동 얽힘 벨 상태를 검증한다.

ABSTRACT

Coherently controlling the motion of single atoms in optical tweezers would enable new applications in quantum information science. To demonstrate this, we first prepare atoms in their motional ground state using a species-agnostic cooling mechanism that converts motional excitations into erasures -- errors with a known location. This cooling mechanism fundamentally outperforms idealized traditional sideband cooling, which we experimentally demonstrate. By coherently manipulating the resultant pure motional state, we perform mid-circuit readout and mid-circuit erasure detection via local shelving into motional superposition states. We finally entangle the motion of two atoms in separate tweezers and generate hyper-entanglement by preparing a simultaneous Bell state of motional and optical qubits, unlocking a large new class of quantum operations with neutral atoms.

연구 동기 및 목표

• 에러 제거를 통한 오류 수정을 이용해 광학 트랩 내 운동 자유도에 대해 종류에 관계없이 적용 가능한 냉각 메커니즘을 개발한다.
• 중간 회로 읽기 및 양자 정보 처리를 위해 운동 상태의 조작을 가능하게 한다.
• 두 개의 별개 원자에서 운동의 얽힘을 증명하고, 동시에 운동 큐비트와 광학 큐비트를 얽힘 상태로 만들며 초양자 얽힘을 생성한다.
• 새로운 냉각 방법을 이상화된 사이드밴드 냉각과 비교하여 실험적으로 우월성을 검증한다.
• 고장 내성 양자 컴퓨팅, 미세 측정, 양자 통신 등 초양자 상태를 활용한 응용 분야를 탐색한다.

제안 방법

• 운동 흥분 상태를 전자 기저 상태로 선택적으로 이행시켜 운동 흥분 상태를 알려진 위치를 가진 오류(에러 제거)로 변환하는 냉각 프로토콜을 구현한다.
• 가짜 스핀 상태 |↓⟩의 선택적 영상 촬영을 통해 기저 상태에 있는 원자에 영향을 주지 않고 운동 흥분 상태를 가진 원자를 감지한다.
• 스핀-운동 변환 단계를 적용하여 내부 상태와 운동 상태를 얽히게 하여 상태 의존적 형광을 통해 운동 흥분 상태를 감지할 수 있도록 한다.
• 운동 상태의 조화적 초기화 상태를 준비하고 국소적 셸빙 및 검출을 통해 결과 상태를 측정함으로써 중간 회로 읽기를 수행한다.
• 리드버그 매개 상호작용을 사용하여 별개의 트랩에 있는 두 원자의 전자 상태를 제어된 CNOT 게이트로 얽힌다.
• 트랩 깊이의 차이를 제어적으로 변화시켜 파리티 진동을 유도함으로써 운동 얽힘 상태의 준비를 검증한다. 짝수 및 홀수 파리티 운동 벨 상태를 구분한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 광학 트랩 내 운동 흥분 상태를 감지 가능한 에러 제거로 변환하여 종류에 관계없이 기저 상태 냉각을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 실험 조건에서 에러 제거 냉각 성능이 이상화된 사이드밴드 냉각과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ3 운동 상태의 조화적 초기화 상태를 사용하여 광학 큐비트의 중간 회로 읽기를 수행할 수 있는가?
• RQ4 운동 큐비트와 전자 큐비트를 동시에 얽힘 상태로 만들 수 있는가?
• RQ5 어떤 실험적 서명이 얽힌 운동 상태의 준비를 확인할 수 있으며, 다른 상태와 어떻게 구분할 수 있는가?

주요 결과

• 에러 제거 냉각 프로토콜은 후선별 없이도 기저 상태 점유율 0.984+4-5를 달성하고, 후선별를 적용하면 0.995+3-4에 도달하여 고정밀 기저 상태 준비를 입증한다.
• 실험적 비교 및 시뮬레이션을 통해 얕은 트랩 조건에서 새로운 냉각 방법이 이상화된 사이드밴드 냉각을 체계적으로 능가함을 확인하였다.
• 운동 상태의 조화적 초기화 상태와 선택적 검출을 통해 광학 큐비트의 중간 회로 읽기가 실현되었으며, 실시간 상태 모니터링이 가능하다.
• 전자 자유도에서 벨 상태를 SPAM 보정 없이 0.93+2-2의 정밀도로 준비하였고, 파리티 진동에서 대비는 0.89+1-1을 기록하였다.
• 홀수 파리티 운동 벨 상태 |Φ⁺,↑↑⟩에서 파리티 진동이 관측되었으며, 이는 준비 상태의 확인을 의미한다. 반면 |Ψ⁺,↑↑⟩에서는 유의미한 진동이 관측되지 않으며, 이는 제어된 트랩 깊이의 차이를 통해 확인되었다.
• 트랩 깊이를 변화시킨 후 파리티 진동을 통해 운동 얽힘의 실험적 검증이 이루어졌으며, 짝수 및 홀수 파리티 상태 사이에 명확한 구분이 이루어져 진정된 얽힌 운동 상태의 준비가 확인되었다.