[논문 리뷰] An atomic boson sampler

Aaron W. Young, Shawn Geller외 5명|arXiv (Cornell University)|2023. 07. 13.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates참고 문헌 82인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 초냉각 보스온 원자로 구성된 2차원 광학 격자에서 원자 보스온 샘플러를 구현하여, 광학 트랩을 이용한 재배치와 고정밀 냉각을 통해 높은 비구별성(99.5%)과 높은 품질의 냉각을 달성하였다. 이 시스템은 낮은 손실(5.0%)과 거의 완벽한 검출 정밀도(99.8%)를 갖춘 프로그래머블이고 상호작용이 없는 양자 산책을 가능하게 하여, 최대 180개의 원자에 대해 보스온 뭉치 효과와 유니터리 동역학을 검증하였다. 약 1000개의 격자 위치에서 수행되었다.

ABSTRACT

A boson sampler implements a restricted model of quantum computing. It is defined by the ability to sample from the distribution resulting from the interference of identical bosons propagating according to programmable, non-interacting dynamics. Here, we demonstrate a new combination of tools for implementing boson sampling using ultracold atoms in a two-dimensional, tunnel-coupled optical lattice. These tools include fast and programmable preparation of large ensembles of nearly identical bosonic atoms ($99.5^{+0.5}_{-1.6}\;\%$ indistinguishability) by means of rearrangement with optical tweezers and high-fidelity optical cooling, propagation for variable evolution time in the lattice with low loss ($5.0(2)\;\%$, independent of evolution time), and high fidelity detection of the atom positions after their evolution (typically $99.8(1)\;\%$). With this system, we study specific instances of boson sampling involving up to $180$ atoms distributed among $\sim 1000$ sites in the lattice. Direct verification of a given boson sampling distribution is not feasible in this regime. Instead, we introduce and perform targeted tests to determine the indistinguishability of the prepared atoms, to characterize the applied family of single particle unitaries, and to observe expected bunching features due to interference for a large range of atom numbers. When extended to interacting systems, our work demonstrates the core capabilities required to directly assemble ground and excited states in simulations of various Hubbard models.

연구 동기 및 목표

• 광자 대신 초냉각 원자 기체를 사용하여 확장 가능하고 고정밀도의 보스온 샘플링 플랫폼을 실현하고자 한다.
• 광자의 낮은 비구별성과 높은 손실 등의 제약을 극복하고자 하며, 원자가 더 뛰어난 준비 및 검출 능력을 지닌 점을 활용하고자 한다.
• 보스온 샘플링 이론에서 예측한 핵심 양자 간섭 현상—특히 뭉치 효과—가 통제 가능한 다체 양자 시스템에서 실제로 관측되는지 검증하고자 한다.
• 격자 내 동일한 보스온의 Fock 상태를 수요에 따라 준비, 진화, 검출할 수 있는 도구를 개발하고 구현하고자 한다.
• 앞서 언급된 다체 양자 상태의 조립 및 진화 능력을 통해 향후 Hubbard 모델의 시뮬레이션을 가능하게 하고자 한다.

제안 방법

• 고정밀 공간 해상도로 대규모 초냉각 보스온 원자 집합을 특정 Fock 상태로 재배치하고 준비하기 위해 광학 트랩을 활용한다.
• 99.5%의 비구별성을 확보하기 위해 고정밀 레이저 냉각을 적용하여 양자 간섭 현상에 필수적인 조건을 만족시킨다.
• 변동 가능한 진화 시간과 낮은 손실(5.0%)을 유지하면서 2차원 터널 결합 광학 격자에서 양자 산책을 수행한다.
• 위치 및 원자 해상도 이미징을 통해 최종 원자 위치를 99.8%의 정밀도로 검출하여 격자 위치 간 상관관계 측정이 가능하도록 한다.
• 단일 입자 손실, 이미징 오류, 비완전한 재배치로 인한 오차를 억제하기 위해 후처리 선택 기법을 적용한다.
• 시간 레이블링 및 위치 레이블링 전략을 활용하여 비구별성과 구별 가능한 입자를 식별하고, 간섭 특징의 校정이 가능하도록 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초냉각 원자를 광학 격자에 이용하여 높은 비구별성과 낮은 손실을 갖춘 확장 가능한 보스온 샘플링 장치를 실현할 수 있는가?
• RQ2 관측된 간섭 무늬(예: 뭉치 효과)가 비구별성 보스온이 비상호작용 양자 산책에서 예측한 이론과 어느 정도 일치하는가?
• RQ3 측정된 양자 산책 데이터로부터 적용된 단일 입자 유니터리 동역학이 얼마나 정확하게 특성화될 수 있는가?
• RQ4 일반화된 뭉치 행동이 다양한 입자 수(최대 180개 원자) 범위에서 관측되고 정량화될 수 있는가?
• RQ5 포획된 원자 시스템에서 다체 Fock 상태의 수요에 따른 준비, 진화, 검출의 정밀도와 확장 가능성은 어느 정도인가?

주요 결과

• 시스템은 HOM 딥 측정 및 간섭 시야도를 통해 표적적으로 확인된 결과로 99.5%의 원자 간 비구별성을 달성하였다.
• 단일 입자 손실은 5.0(2)%, 진화 시간과 무관하게 측정되어 장기간 지속 가능한 양자 산책이 가능함을 시사한다.
• 검출 정밀도는 99.8(1)%에 도달하여 다체 상관함수의 고정밀 측정이 가능함을 보여준다.
• 2~36개 원자 범위에서 비구별성 보스온과 일치하는 뭉치 무늬가 관측되었으며, 이는 이론과 정량적 일치를 보였다.
• 양자 산책 데이터로부터 유도된 유니터리 진화는 이론 예측과 일치하여 시스템의 프로그래머블 동역학이 검증되었다.
• 180개 원자 실험에서 m=1015의 일반화된 뭉치가 측정되어 대규모 양자 간섭 현상을 원자 시스템에서 연구할 수 있음을 입증하였다.