[논문 리뷰] On-Demand Entanglement of Molecules in a Reconfigurable Optical Tweezer Array

Connor M. Holland, Yukai Lu외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 10. 12.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 4인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 재구성 가능한 광학 트랩 어레이를 사용하여 레이저 냉각된 CaF 분자를 실시간으로 얽히게 하는 것을 보여주며, 장거리 전기 분극 상호작용을 활용해 결정론적 iSWAP 게이트를 구현하고, SPAM 보정된 품질도 80(2)%에 이를 수 있었다. 이는 포획된 분자에서 제어된 얽힘을 처음으로 실현한 것으로, 분자 플랫폼을 이용한 확장 가능한 양자 시뮬레이션과 정보 처리를 가능하게 한다.

ABSTRACT

Entanglement is crucial to many quantum applications including quantum information processing, simulation of quantum many-body systems, and quantum-enhanced sensing. Molecules, because of their rich internal structure and interactions, have been proposed as a promising platform for quantum science. Deterministic entanglement of individually controlled molecules has nevertheless been a long-standing experimental challenge. Here we demonstrate, for the first time, on-demand entanglement of individually prepared molecules. Using the electric dipolar interaction between pairs of molecules prepared using a reconfigurable optical tweezer array, we realize an entangling two-qubit gate, and use it to deterministically create Bell pairs. Our results demonstrate the key building blocks needed for quantum information processing, simulation of quantum spin models, and quantum-enhanced sensing. They also open up new possibilities such as using trapped molecules for quantum-enhanced fundamental physics tests and exploring collisions and chemical reactions with entangled matter.

연구 동기 및 목표

• 제어된 양자 플랫폼에서 개별 분자에 대한 결정론적 실시간 얽힘을 달성하기 위해.
• 개별 분자에 대한 미세한 제어를 통해 얽힘을 생성하는 데 오랫동안 지속된 과제를 해결하기 위해.
• 재구성 가능한 트랩 어레이에서 분자 간의 공명 분극 상호작용을 이용한 두 큐비트 얽힘 게이트를 구현하기 위해.
• 기준점으로서의 양자 정보 처리를 위한 벨 상태를 생성하고 검증하기 위해.
• 향후 양자 시뮬레이션, 양자 향상 센서 및 기본 물리학 실험에 사용 가능한 얽힌 분자 시스템을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 분자는 레이저 냉각되고 37개의 트랩이 4.20(6) μm 간격으로 배열된 재구성 가능한 광학 트랩 어레이에 탑재된다.
• 재배치 프로토콜은 손상되지 않은 상태에서 점유된 트랩을 비파괴적으로 감지하고 1차원의 쌍으로 된 분자 배열로 재구성한다.
• 광학 펌프와 라만 전이를 통해 분자는 단일 회전-진동 및 스핀 상태로 초기화된다.
• 장거리 전기 분극-분극 상호작용을 통해 매개되는 회전 상태 간의 공명 분극 스핀 교환 상호작용을 통해 iSWAP 게이트가 실행된다.
• 양자 얽힘은 벨 상태의 인구 불균형을 측정함으로써 검증되며, 인구 차이에서 2θ 조화 진동을 관측하고, 얽힘과 일치하는 해상도를 확보한다.
• 상태 준비 및 측정(SPAM) 오차는 진정한 벨 상태 품질을 추출하기 위해 보정된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 재구성 가능한 트랩 어레이에서 광학 제어와 분극 상호작용만을 사용하여 개별 레이저 냉각 분자에 대한 결정론적 얽힘을 달성할 수 있는가?
• RQ2 제어된 환경에서 분자 큐비트를 사용한 실시간 벨 상태 생성의 품질과 수명은 얼마인가?
• RQ3 생성 후 분자가 공간적으로 분리되어도 얽힘이 유지될 수 있는가, 이를 통해 장거리 연결성이 가능해지는가?
• RQ4 분자의 양자 상태와 분극 상호작용의 공명성은 분자 플랫폼에서 보편적인 양자 게이트를 어떻게 가능하게 하는가?
• RQ5 얽힌 분자 상태는 얽히지 않은 상태에 비해 측정 감도를 얼마나 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• 연구진은 SPAM 보정된 벨 상태 품질이 80(2)%에 이를 수 있었으며, 이는 개별 분자에 대한 고정밀 실시간 얽힘을 입증한 것이다.
• 벨 상태 수명은 85(5) ms로 측정되었으며, 이는 단일 입자 디코herence 시간과 일치하지만 略로 짧았다.
• 분자를 3ms 동안 4.20(6) μm의 거리로 분리한 후에도 얽힘이 유지되어 공간 이동에 대한 강건성을 입증했다.
• 인구 불균형에서 관측된 2θ 조화 진동은 얽힘 존재를 확인했으며, 분리된 상태에 비해 측정 감도가 두 배로 향상됨을 보였다.
• 2θ 진동의 위상은 효과적 교환 상호작용 J > 0임을 확인했으며, 이는 반자성 스핀 교환 상호작용임을 시사한다.
• 단일 입자 재배치 성공률은 97.4(1)%로 측정되어, 양자 실험을 위한 결함 없는 분자 어레이 초기화가 가능함을 보였다.