[论文解读] Dipolar spin-exchange and entanglement between molecules in an optical tweezer array

Yicheng K. Bao, Scarlett S. Yu+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 17, 2022

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 13

一句话总结

本文展示了在光镊阵列中，单个CaF分子之间长程偶极自旋交换相互作用的实现，以及贝尔态纠缠的确定性制备。通过调节量子化轴与分子间距的夹角，该系统在有效自旋-1/2 XY模型中实现了可调的铁磁与反铁磁相互作用，利用微波控制和动态解耦技术，实现了高保真度的两量子比特 iSWAP 门。

ABSTRACT

Due to their intrinsic electric dipole moments and rich internal structure, ultracold polar molecules are promising candidate qubits for quantum computing and for a wide range of quantum simulations. Their long-lived molecular rotational states form robust qubits while the long-range dipolar interaction between molecules provides quantum entanglement. Using a molecular optical tweezer array, single molecules can be moved and separately addressed for qubit operations using optical and microwave fields, creating a scalable quantum platform. Here, we demonstrate long-range dipolar spin-exchange interactions in pairs of CaF molecules trapped in an optical tweezer array. We control the anisotropic interaction and realize the spin-$\frac{1}{2}$ quantum XY model by encoding an effective spin-$\frac{1}{2}$ system into the rotational states of the molecules. We demonstrate a two-qubit (two-molecule) gate to generate entanglement deterministically, an essential resource for all quantum information applications. Employing interleaved tweezer arrays, we demonstrate high fidelity single site molecular addressability.

研究动机与目标

• 在可控且可扩展的平台上，实现超冷极性分子之间相干的长程偶极自旋交换相互作用。
• 在单分子可寻址的光镊阵列中，通过偶极相互作用演示确定性的两量子比特纠缠。
• 通过调节分子量子化轴相对于分子间轴的夹角，实现磁耦合（铁磁至反铁磁）的可调性。
• 通过交错光镊阵列架构，实现高保真度的单点地址与门操作。
• 识别并缓解退相干源，特别是热运动的影响，以提升门保真度

提出的方法

• 利用施加于声光偏转器（AOD）的多频波形形成一维光镊阵列，实现对单个分子阱位置和深度的精确控制。
• 在CaF分子的转动态中编码自旋-1/2系统，利用微波和光场相干操控与读出量子比特态。
• 应用XY8动态解耦脉冲以抑制门操作期间的退相干，提升相干性与保真度。
• 通过调节磁量子化轴与分子间轴之间的夹角，控制偶极相互作用的符号与强度，实现铁磁与反铁磁耦合。
• 采用交错双AOD光镊阵列，实现对奇数与偶数位点陷阱深度的独立控制及微波寻址，从而实现鲁棒的单点控制。
• 通过|↑↓⟩与|↓↑⟩态之间的振幅振荡测量来测量纠缠保真度，其时间演化由有效自旋交换哈密顿量 H_dip 控制

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在光镊阵列中对单个捕获的CaF分子实现长程偶极自旋交换相互作用的相干控制？
• RQ2 通过调节分子量子化轴的取向，能否将相互作用在铁磁与反铁磁特性之间进行调控？
• RQ3 该系统中通过偶极交换生成的确定性两量子比特纠缠的保真度是多少？
• RQ4 分子在阱中的热运动如何限制门保真度？是否可通过改进控制与冷却技术加以缓解？
• RQ5 在可扩展的光镊阵列架构中，能否实现单点可寻址与快速门操作？

主要发现

• 系统实现了CaF分子之间可调的偶极自旋交换相互作用，其相互作用强度与符号由量子化轴与分子间轴夹角控制。
• 在θ = 0°时观测到铁磁耦合（负J），在θ = 90°时观测到反铁磁耦合（正J），并通过振幅振荡测量得到验证。
• 实现了确定性的iSWAP两量子比特门，生成贝尔态，其测量保真度主要受限于阱中热运动。
• 通过采用交错光镊阵列，提升了贝尔态的保真度，实现了独立的微波寻址与串扰降低。
• 观测到高可见度的拉比振荡与自旋交换振荡，证实了对有效自旋-1/2系统的相干控制。
• 偶极相互作用与分子转动态的相干时间受限于有限温度，表明未来采用拉曼侧带冷却可显著提升门保真度。