[论文解读] A tweezer array with 6100 highly coherent atomic qubits

Hannah J. Manetsch, Gyohei Nomura+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 18, 2024

Quantum Information and Cryptography被引用 16

一句话总结

该论文展示了一个包含11,998个光镊位点的光学镊子阵列，可捕获超过6,100个铯-133原子作为高度相干的超精细量子比特，实现了12.6(1)秒的创纪录相干时间以及99.98952(1)%的成像存活率，保真度超过99.99%。该系统实现了长寿命、高保真度的操作，包括在大空间尺度上的相干输运以及原子的抓取/释放，为通用量子计算和量子误差纠正建立了可扩展的平台。

ABSTRACT

Optical tweezer arrays have transformed atomic and molecular physics, now forming the backbone for a range of leading experiments in quantum computing, simulation, and metrology. Typical experiments trap tens to hundreds of atomic qubits, and recently systems with around one thousand atoms were realized without defining qubits or demonstrating coherent control. However, scaling to thousands of atomic qubits with long coherence times, low-loss, and high-fidelity imaging is an outstanding challenge and critical for progress in quantum science, particularly towards quantum error correction. Here, we experimentally realize an array of optical tweezers trapping over 6,100 neutral atoms in around 12,000 sites, simultaneously surpassing state-of-the-art performance for several metrics that underpin the success of the platform. Specifically, while scaling to such a large number of atoms, we demonstrate a coherence time of 12.6(1) seconds, a record for hyperfine qubits in an optical tweezer array. We show room-temperature trapping lifetimes of 23 minutes, enabling record-high imaging survival of 99.98952(1)% with an imaging fidelity of over 99.99%. We present a plan for zone-based quantum computing and demonstrate necessary coherence-preserving qubit transport and pick-up/drop-off operations on large spatial scales, characterized through interleaved randomized benchmarking. Our results, along with recent developments, indicate that universal quantum computing and quantum error correction with thousands to tens of thousands of physical qubits could be a near-term prospect.

研究动机与目标

• 将中性原子量子系统扩展至数千个量子比特，同时保持高相干性与高保真度。
• 通过在大阵列中实现长相干时间与低损耗操作，克服量子计算的可扩展性挑战。
• 在室温光学镊子系统中，实现6,100个量子比特规模的相干控制、输运与成像保真度。
• 通过建立具备高保真度、可扩展且可重构的量子比特控制平台，实现通用量子计算与量子误差纠正。

提出的方法

• 使用室温真空腔体，通过波长为1055 nm与1061 nm的远共振光学镊子捕获单个铯-133原子。
• 利用两个具有正交偏振的空间光调制器（SLMs）生成具有11,998个位点的可重构镊子阵列。
• 实施高功率、低损耗捕获，实现约23分钟的真空极限寿命。
• 采用qCMOS相机进行单原子成像，实现超过99.99%的成像保真度与99.98952(1)%的存活概率。
• 通过交错随机基准测试表征大尺度距离下的相干输运与阱转移保真度。
• 设计基于区域的量子计算架构，以支持阵列中可扩展、模块化的操作。

实验结果

研究问题

• RQ1 光学镊子阵列能否在维持超过10秒相干时间的前提下扩展至超过6,000个量子比特？
• RQ2 在具备数千个原子的大规模室温镊子阵列中，可实现的最大成像存活率与保真度是多少？
• RQ3 此类系统中，大空间尺度下的相干量子比特输运与抓取/释放操作能否保持？
• RQ4 在环境条件下，高密度、大规模中性原子阵列的相干性与损耗极限是什么？
• RQ5 该平台能否满足大规模通用量子计算与量子误差纠正的需求？

主要发现

• 该系统在光学镊子阵列中实现了12.6(1)秒的创纪录超精细量子比特相干时间，优于以往结果。
• 单原子成像存活率测量值达到99.98952(1)%，为迄今报道的最大阵列中的最高值。
• 成像保真度超过99.99%，实测值为99.99374(8)%，为大规模系统设立了新基准。
• 该系统在室温装置中实现了22.9(1)分钟的真空极限捕获寿命，支持长时间运行。
• 通过交错随机基准测试验证，实现了大空间尺度下高保真度的相干输运与阱转移。
• 该平台支持基于区域的量子计算架构，可实现可扩展、模块化的操作，对容错量子计算至关重要。