[논문 리뷰] Scalable multilayer architecture of assembled single-atom qubit arrays in a three-dimensional Talbot tweezer lattice

Malte Schlosser, Sascha Tichelmann외 5명|arXiv (Cornell University)|2019. 02. 14.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 2차원 광 트랩 어레이를 추가 하드웨어 없이 다중 축 방향으로 확장하는 데에 톨본 자기영상 효과를 활용한 마이크로렌즈 어레이로 생성된 톨본 트랩 어레이 레이스터를 사용하여 단일 원자 큐비트 어레이를 위한 확장 가능한 3차원 다층 구조를 제시한다. 이 플랫폼은 결함 없는 원자 어레이를 다중 층에서 조립할 수 있으며, 2차원 층당 750개 이상의 큐비트 사이트를 달성하고, 구성 가능한 트랩 구조와 동적 서브격자 주소 지정을 통해 3차원에서 10,000개 이상의 큐비트 사이트에 확장 가능하다.

ABSTRACT

We report on the realization of a novel platform for the creation of large-scale 3D multilayer configurations of planar arrays of individual neutral-atom qubits: a microlens-generated Talbot tweezer lattice that extends 2D tweezer arrays to the third dimension at no additional costs. We demonstrate the trapping and imaging of rubidium atoms in integer and fractional Talbot planes and the assembly of defect-free atom arrays in different layers. The Talbot self-imaging effect for microlens arrays constitutes a structurally robust and wavelength-universal method for the realization of 3D atom arrays with beneficial scaling properties. With more than 750 qubit sites per 2D layer, these scaling properties imply that 10000 qubit sites are already accessible in 3D in our current implementation. The trap topology and functionality are configurable in the micrometer regime. We use this to generate interleaved lattices with dynamic position control and parallelized sublattice addressing of spin states for immediate application in quantum science and technology.

연구 동기 및 목표

• 대규모 3차원 단일 중성원자 큽티브 어레이를 위한 확장 가능하고 구조적으로 견고한 플랫폼을 개발하기 위해.
• 톨본 효과를 이용하여 2차원 광 트랩 어레이의 확장성 한계를 극복하고 제3의 축으로 확장하기 위해.
• 구성 가능한 트랩 구조와 동적 제어를 통해 다중 층에서 고정밀도, 결함 없는 원자 어레이 조립을 가능하게 하기 위해.
• 조절 가능한 상호작용과 병렬 서브격자 주소 지정을 통해 확장 가능한 양자 시뮬레이션 및 계산을 달성하기 위해.

제안 방법

• 초점 평면에서 2차원 주기적인 가우시안 빛줄기 어레이를 생성하기 위해 마이크로렌즈 어레이(MLA)를 사용하여 톨본 자기영상 효과의 원천 패턴을 형성한다.
• 리레이 옹션을 활용하여 초점 평면을 재이미지하고 축소시키며, 트랩 간격, 깊이, 톨본 길이를 구성 가능하게 한다.
• 톨본 효과를 활용하여 $ z_T/2 $ 축 간격으로 주기적인 자기영상(톨본 평면)을 생성함으로써, 원천과 동일한 평면 기하학을 갖는 3차원 다층 격자 어레이를 형성한다.
• 구성 가능한 빛줄기 어레이와 공간 광학 조절을 통해 동적 위치 제어 및 교차 배치된 격자 구조를 실현한다.
• 정수 및 분수 톨본 평면에서의 단일 원자 점유를 감지하고 검증하기 위해 형광 영상 촬영을 수행한다.
• 제조 오차가 MLA 파arameter에 미치는 영향을 정량화하기 위해 통계적 내성 분석을 수행하여 트랩 강도, 위치, 평면 간 안정성에 영향을 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 2차원 마이크로렌즈 어레이 원천으로부터 톨본 효과를 활용하여 확장 가능한 3차원 다층 광 트랩 어레이 레이스터를 생성할 수 있는가?
• RQ2 마이크로렌즈 어레이 및 빛줄기 파aram터의 제조 허용 오차가 3차원 트랩 어레이의 안정성과 균일성에 어느 정도 영향을 미치는가?
• RQ3 고정밀도로 결함 없는 단일 원자 어레이가 정수 및 분수 톨본 평면에서 조립되고 영상 촬영될 수 있는가?
• RQ4 자기영상 과정은 초기 2차원 트랩 어레이의 결함을 어떻게 완화시키며, 고차원 평면에서 트랩 품질 향상은 어느 정도 이루어지는가?
• RQ5 이 플랫폼을 사용하여 3차원에서 확장 가능한 큐비트 수의 최대치는 얼마이며, 동적 제어 및 서브격자 주소 지정이 구현 가능한가?

주요 결과

• 톨본 트랩 어레이 레이스터는 추가 하드웨어 비용 없이도 2차원 마이크로렌즈 어레이 원천으로부터 3차원 다층 단일 원자 큽티브 어레이를 생성할 수 있다.
• 2차원 층당 750개 이상의 큐비트 사이트를 달성하였으며, 현재 구현으로서 3차원에서 10,000개 이상의 큐비트 사이트로 확장 가능하다.
• 정수 및 분수 톨본 평면에서 결함 없는 원자 어레이가 성공적으로 조립되고 영상 촬영되었으며, 고정밀도의 사이트 점유가 확인되었다.
• 통계적 내성 분석 결과, MLA 및 빛줄기 파aram터의 불완전성이 고차원 톨본 평면에서 크게 감소하며, 트랩 강도의 표준편차가 $ ar{ ho}_I = 0.05 $ 이하로 감소하여 이상치 대비 1% 이내의 편차를 보였다.
• 횡방향 및 축방향 트랩 위치 불확실성은 트랩 크기의 몇 퍼센트 수준으로, 평면 간 높은 위치 안정성을 나타낸다.
• 자기영상 과정은 입력 빛줄기 및 MLA의 불완전성을 감소시키는 자가 치유 메커니즘으로 작용하며, 특히 원천($ T_0 $)에서 떨어진 주요 평면에서 특히 효과적이다.