[논문 리뷰] Mid-circuit qubit measurement and rearrangement in a $^{171}$Yb atomic array

Matthew A. Norcia, William B. Cairncross외 43명|arXiv (Cornell University)|2023. 05. 30.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates참고 문헌 44인용 수 17

한 줄 요약

단일 종의 171Yb 트위저 어레이에서 비파괴적이고 상태 선택적 중회로 측정을 수행하고, 좁은 선 이미징과 사이트 히딩으로 데이터 큐비트를 보호하며, 조건부 안실라 재충전 및 데이터 큐비트 코히런스 보존을 가진 MOT 로딩을 시현한다.

ABSTRACT

Measurement-based quantum error correction relies on the ability to determine the state of a subset of qubits (ancillae) within a processor without revealing or disturbing the state of the remaining qubits. Among neutral-atom based platforms, a scalable, high-fidelity approach to mid-circuit measurement that retains the ancilla qubits in a state suitable for future operations has not yet been demonstrated. In this work, we perform imaging using a narrow-linewidth transition in an array of tweezer-confined $^{171}$Yb atoms to demonstrate nondestructive state-selective and site-selective detection. By applying site-specific light shifts, selected atoms within the array can be hidden from imaging light, which allows a subset of qubits to be measured while causing only percent-level errors on the remaining qubits. As a proof-of-principle demonstration of conditional operations based on the results of the mid-circuit measurements, and of our ability to reuse ancilla qubits, we perform conditional refilling of ancilla sites to correct for occasional atom loss, while maintaining the coherence of data qubits. Looking towards true continuous operation, we demonstrate loading of a magneto-optical trap with a minimal degree of qubit decoherence.

연구 동기 및 목표

• 단일 종의 171Yb 중성 원자 어레이에서 비파괴적이며 상태 선택적 및 사이트 선택적 중회로 큐비트 읽기를 시연한다.
• 선택된 안실라 큐비트를 측정하면서 데이터 큐비트가 코히런스를 유지할 수 있음을 보여준다.
• 중회로 측정에 기반한 조건부 작동을 시연하며, 원자 손실 후 안실라 위치의 재충전 포함.
• 중회로 측정 및 안실라 재배치 동안 데이터 큐비트 코히런스의 지속을 보여준다.
• 데이터 큐비트의 코히런스를 보존하면서 모트(MOT) 로딩을 탐구한다.

제안 방법

• 171Yb에서 좁은 선폭 이미징 전이를 사용해 qubit 상태 1과 0을 3P1 mF 상태에 결합시켜 상태 선택 이미징을 가능하게 한다.
• 높은 상태 선택성을 달성하고 누설을 억제하기 위해 큰 제만 시프트(500 G 필드)를 적용한다.
• 선택된 큐비트를 이미징 광으로부터 차폐하고 안실라 큐비트의 병렬 읽기를 가능하게 하기 위해 사이트 선택적 히딩 광을 사용한다.
• 레이즈 망 Ramsey 시퀀스 내에서 중회로 측정을 수행해 코히런스 보존과 위상 변화를 정량한다.
• 이동 가능한 트위저로 원자를 재배치해 완전한 하위 어레이를 형성하고 저장소로부터 안실라 위치의 조건부 재충전을 시연한다.
• 실험 중 MOT 로딩을 시연해 연속 작동 중 코히런스를 평가한다.

Figure 1: (a) Experimental diagram. Individual 171 Yb atoms are trapped in the sites of an optical tweezer array in the presence of a 500 Gauss magnetic field. Two high-numerical-aperture objectives allow for site-resolved imaging, and the targeted application of trapping light (483 nm wavelength) a

실험 결과

연구 질문

• RQ1 중성 원자 배열에서 중회로, 상태 선택 측정이 다른 큐비트를 방해하지 않고 부분 집합의 큐비트에 대해 가능하가?
• RQ2 사이트 선택적 히딩이 데이터 큐비트의 코히런스를 보존하면서 안실라 큐비트를 고충실도로 비파괴적으로 읽을 수 있게 하는가?
• RQ3 손실 후 안실라 큐비트를 신뢰성 있게 재충전할 수 있어 다중 사이클 동안 데이터 큐비트 코히런스를 악화시키지 않는가?
• RQ4 계산 중 MOT를 로딩하는 것이 데이터 큐비트에 지나친 탈코히런스를 야기하지 않고 가능한가?
• RQ5 이미징, 히딩 광, 원자 손실에 의해 한계가 되는 에러 경로는 무엇이며 시스템 규모에 따라 확산되는가?

주요 결과

• 비파괴 읽기로 171Yb 큐비트의 고충실도 상태 해상 이미징이 가능하며, 일반적인 이미징은 사이트당 5 ms에 약 30 광자를 산출한다.
• 히딩 광은 최대 74 MHz 차분 이동을 제공하여 데이터 큐비트에서 백분율 수준 손실과 안실라 이미징에 미치는 영향이 최소화되는 사이트 선택적 마스킹을 가능하게 한다.
• 중회로에서 안실라 큐비트를 측정하면 데이터 큐비트에 약간의 코히런스 영향이 유발되며, 예를 들어 이미지화와 히딩 광 하에서 Ramsey 프린지 위상 변화 1.59(2) rad 및 대비 감소 1.3(8)%이다.
• 저장소로부터 재충전되어 최대 16회의 이미징/재배치 사이클 동안 안실라 채움 >98%를 유지하고, 데이터 큐비트 대비 손실은 사이클당 약 0.9(1)%이다.
• MOT 로딩 동안 데이터 큐비트의 코히런스가 보존되며, MOT 산란 광에 기인한 추가적인 탈코히런스율은 0.03(2)/s이다.
• 모트가 제한된 탈코히런스로 로드될 수 있음을 시연하여 지속적 작동으로의 경로를 열었다.

Figure 2: Coherence-preserving mid-circuit measurement of sub-array. (a) Experimental sequence for characterizing mid-circuit measurement, with operations performed on data sites indicated in the upper row and operations performed on ancilla sites in the lower row. Measurements are performed on anci