[논문 리뷰] Iterative assembly of $^{171}$Yb atom arrays with cavity-enhanced optical lattices

Matthew A. Norcia, Hoon Kim외 48명|arXiv (Cornell University)|2024. 01. 29.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates인용 수 5

한 줄 요약

원자 저장소, 광집게, 및 キャビティ 강화 광격자를 이용한 반복적 프로토콜을 시연하여 1225-사이트 대상 배열을 171Yb 원자로 거의 99% 점유율로 결정적으로 채우고 확장 가능하고 재장전 가능한 중성 원자 양자 시스템을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Assembling and maintaining large arrays of individually addressable atoms is a key requirement for continued scaling of neutral-atom-based quantum computers and simulators. In this work, we demonstrate a new paradigm for assembly of atomic arrays, based on a synergistic combination of optical tweezers and cavity-enhanced optical lattices, and the incremental filling of a target array from a repetitively filled reservoir. In this protocol, the tweezers provide microscopic rearrangement of atoms, while the cavity-enhanced lattices enable the creation of large numbers of optical traps with sufficient depth for rapid low-loss imaging of atoms. We apply this protocol to demonstrate near-deterministic filling (99% per-site occupancy) of 1225-site arrays of optical traps. Because the reservoir is repeatedly filled with fresh atoms, the array can be maintained in a filled state indefinitely. We anticipate that this protocol will be compatible with mid-circuit reloading of atoms into a quantum processor, which will be a key capability for running large-scale error-corrected quantum computations whose durations exceed the lifetime of a single atom in the system.

연구 동기 및 목표

• 양자 계산 및 시뮬레이션을 위한 대규모의 결정적으로 채워진 중성 원자 배열의 확장 가능한 조립 방식을 동기화하려는 동기부여.
• 빠르고 고충실도 이미징 및 결정적 채움을 가능하게 하기 위해 광집게와 캐비티 강화 광격자를 결합.
• 반복적으로 채워지는 저장소를 이용하고 중간 주기의 재배치를 통해 최종 배열 크기를 단일 로딩 원자 공급으로부터 독립시킴.
• 저장소 재로딩을 통해 시간 경과에 따른 채움 배열 유지 가능성을 보여주어 고오차 수정 스킴에 대한 중간 회로 재로딩 가능성 탐구.

제안 방법

• 두 개의 교차하는 광공진기(XY 및 Z)를 사용하여 원자 이미징이 빠르고 손실이 적은 3D 딥 격자를 생성한다.
• 광집게의 원자 저장소와 대상 광집게 배열을 분리하고, 원자를 격자에 템플릿으로 옮겨 격자 내 사이트별 이미징을 가능하게 한다.
• 약 99.95%의 신뢰도와 약 2e-3의 이미지 손실로 사이트별 형광 이미징을 수행하여 점유 여부를 판정한다.
• 이미징 결과에 따라 비어 있는 대상 사이트로 원자를 옮기기 위해 재배치 광집게를 통해 저장소와 대상 배열 사이에서 원자를 순환시킨다.
• 각 로딩 사이클을 반복하여 1225-사이트 대상 배열에서 약 99% 점유를 달성하고 매 사이클마다 fresh MOT에서 저장소를 재로딩한다.

Figure 1: Conceptual diagram of repeated loading sequence. A “reservoir” optical tweezer array (smaller left grid) is repeatedly filled with 171 Yb atoms transported from a spatially separated magneto-optical trap (MOT), and ultimately transferred into a “target” tweezer array (larger right grid) us

실험 결과

연구 질문

• RQ1 반복적, 저장소 기반 로딩 방식이 매우 큰 원자 배열의 거의 결정론적 채움을 달성할 수 있는가?
• RQ2 저장소에서 대상으로의 이관에서 지배적인 사이클당 손실 메커니즘은 무엇이며 이를 어떻게 완화할 수 있는가?
• RQ3 연속 재로딩과 이미징으로 시간이 지나도 완전히 채워진 큰 배열을 유지하는 것이 가능한가?
• RQ4 캐비티 강화 광격자들이 대규모 배열에서 빠르고 고충실도 이미징에 필요한 딥하고 균일한 포획을 제공하는가?
• RQ5 이 접근 방식은 확장 가능한 양자 계산을 위한 미드 회로 재로딩과 얼마나 호환되는가?

주요 결과

• 다수의 로딩 사이클에 걸쳐 171Yb 원자로 1225-사이트 대상 배열을 약 99% 점유율로 결정적으로 채웠다.
• 저장소가 최대 105 사이트를 포함하며 fresh MOT에서 반복적으로 로딩되어 대상 배열 옆에 위치해 지속적인 보충을 가능하게 한다.
• 캐비티 강화 격자 이미징은 사이트당 약 7 ms에 약 50 광자를 생성하고 99.95% 점유 구분과 이미지당 ~2e-3 원자 손실을 제공한다.
• 사이클당 로딩 성능은 초기에는 대상 배열로 약 45 atoms이 전이되며, 최종 공석 비율은 진공 수명(~30 s)에 의해 지배되는 백분율 수준의 손실로 나타난다.
• 프로토콜은 저장소 재로딩을 반복하여 배열을 무기한 유지할 수 있도록 하며 대규모 양자 계산을 위한 미드 회로 재로딩 개념과 호환된다.

Figure 2: Cavity-enhanced optical lattices for rapid low-loss imaging. (a) The intersection of two cavity modes provide three-dimensional confinement for atoms within the field of view of our high-numerical-aperture imaging system. Confinement in the $x$ and $y$ directions is provided by a self-inte