[논문 리뷰] Control and Entanglement of Individual Rydberg Atoms Near a Nanoscale Device

Paloma Ocola, Ivana Dimitrova외 6명|arXiv (Cornell University)|2022. 10. 23.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 강한 전기장 노이즈가 존재하는 상황에서도 나노스케일 SiN 장치에서 100 μm 내외의 거리에서 라이드버그 원자 간의 일관된 제어와 이원자 얽힘을 구현한다. 엔트레일먼트 보조 센싱과 자외선 유도 전하 중화를 통해 팀은 전기장 환경을 맵핑하고 안정화시켜 강건한 양자 제어를 가능하게 하며, 라이드버그 배열을 광학 및 전자 장치와 확장 가능한 방식으로 통합하는 길을 열었다.

ABSTRACT

Rydberg atom arrays constitute a promising quantum information platform, where control over several hundred qubits has been demonstrated. Further scaling could significantly benefit from coupling to integrated optical or electronic devices, enabling quantum networking and new control tools, but this integration is challenging due to Rydberg sensitivity to the electric field noise from surfaces. We demonstrate that Rydberg coherence and two-atom entanglement can be generated and maintained at distances of 100 microns from a nanoscale dielectric device. Using coherent manipulation of individual qubits and entanglement-assisted sensing, we map the spatio-temporal properties of the electric field environment, enabling its control and the integration of Rydberg arrays with micro- and nanoscale devices.

연구 동기 및 목표

• 표면 전기장 노이즈로 인한 비편위를 극복하여 라이드버그 원자 배열을 나노포토닉 및 전자 장치와 확장 가능한 방식으로 통합하는 것.
• 라이드버그 원자를 양자 센서로 사용하여 나노스케일 유전체 장치 근처의 전기장 노이즈의 시공간적 특성을 맵핑하는 것.
• 강한 필드 변동이 존재하는 상황에서도 장치에서 100 μm 이내의 거리에서 일관된 제어와 이원자 얽힘을 구현하는 것.
• 자외선 조명을 통해 표면 전하를 중화시켜 라이드버그 일관성을 안정화하고 장치 근처에서의 일관성 수명을 연장하는 것.
• 장치의 전기장에 의해 유도되는 이방성 라이드버그-라이드버그 상호작용을 특성화하여 맞춤형 양자 게이트 조작을 가능하게 하는 것.

제안 방법

• 개별 87Rb 원자들이 광학 트랩에 포획되어 420 nm와 1013 nm 레이저를 이용한 이광자 전이를 통해 |70S⟩ 라이드버그 상태로 일관되게 자극된다.
• 라이드버그 스펙트럼 이동은 SiN 나노포토닉 장치에서의 거리 함수로 측정되며, 전하 모형에 적합한 데이터를 기반으로 q = 126(11)e로 추정된다.
• 자외선 다이오드 조명을 사용하여 표면 전하 상태를 조절함으로써 전기장 변동을 감소시키고, 90 μm까지 라이드버그 일관성을 안정화시킨다.
• 엔트레일먼트 보조 센싱은 전기장 벡터에 대한 원자 배치에 따라 라이드버그 블로킹 연화 정도를 측정함으로써 수행된다.
• 최소한의 점전하 모형과 균일 배경 전기장 모형을 사용하여 전기장 환경을 재구성하였으며, 측정된 기울기 데이터와의 비교를 통해 검증되었다.
• π 펄스 후 |rr⟩ 상태의 인구를 측정하여 라이드버그-라이드버그 상호작용 강도를 측정하였으며, Pair Interaction 파이썬 패키지를 사용한 수치 시뮬레이션과 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 강한 전기장 노이즈가 존재하는 상황에서도 나노스케일 유전체 장치에서 약 100 μm 거리에서 라이드버그 일관성과 얽힘을 유지할 수 있는가?
• RQ2 장치 근처의 전기장 환경은 공간적·시간적으로 어떻게 변화하며, 라이드버그 원자를 센서로 사용하여 맵핑하고 제어할 수 있는가?
• RQ3 자외선 조명이 전기장 환경을 얼마나 안정화시키며, 장치 근처에서 라이드버그 일관성 수명을 얼마나 연장시킬 수 있는가?
• RQ4 장치에서 유도된 이방성 전기장은 라이드버그-라이드버그 상호작용과 블로킹 행동에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 전기장 노이즈에 대한 민감도를 줄이면서도 게이트 품질을 유지하기 위해 라이드버그 상태의 주요 양자수 n을 최적화할 수 있는가?

주요 결과

• SiN 장치에서 90 μm 이내에서도 라이드버그 일관성이 유지되며, 130 μm 거리에서 T₂ = 4.1(2) μs를 기록하여 준정적 전기장 노이즈를 시사한다.
• 측정된 스펙트럼 이동 데이터는 점전하 모형에 잘 맞으며, 장치에 126(11)e의 효과 전하가 존재하는 것으로 추정된다. 이는 표면 전하 변동과 일치한다.
• 자외선 조명은 표면 전하를 중화시켜 전기장 노이즈를 감소시키며, 라이드버그 스펙트럼 이동을 안정화시켜 90 μm까지 일관된 제어를 가능하게 한다.
• 배경 전기장은 자외선 강도에 의해 조절 가능하며, 160 μm 거리에서 ΔEₓ = −0.23(3) V/cm의 이동을 보이며 전기장 환경 제어 가능성을 시사한다.
• 라이드버그 블로킹 연화는 이방성이 있으며, 전기장 벡터에 수직 방향에서 더 강한 블로킹 위반이 관측되었으며, 수치 시뮬레이션과의 일치로 확인되었다.
• 라이드버그 주요 양자수를 n ≈ 55로 최적화함으로써 전기장 노이즈에 대한 민감도를 약 5배 감소시키며, U/Ω ≈ 230을 유지함으로써 게이트 품질을 유지할 수 있었다.