[论文解读] A Mølmer-Sørensen Gate with Rydberg-Dressed Atoms

Michael Martin, Yuan‐Yu Jau+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 29, 2021

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 4

一句话总结

该论文通过单光子里德堡态布居实现两个中性原子之间的莫尔默-索伦森纠缠门，利用绝热布居抑制退相干，实现了高保真度纠缠。该门对原子运动、激光噪声和光移具有鲁棒性，实验保真度主要受限于激光频率噪声和自发辐射，表明通过进一步优化有望实现超过95%的保真度。

ABSTRACT

Neutral atoms are building blocks of ground-up quantum many-body systems. Well-controlled and high-fidelity entangling gates are an essential component for realizing complex neutral atom architectures for quantum computing, quantum simulation, and measurement with precision better than the standard quantum limit. In this Letter we report the realization of a Mølmer-Sørensen unitary between two neutral atoms, based on adiabatic single-photon dressing to Rydberg levels. We show that this technique is highly robust to noise sources and experimental imperfections that have limited the fidelity of other approaches to neutral atom gates.

研究动机与目标

• 开发一种适用于中性原子的高保真度纠缠门，以克服现有基于里德堡态方法的局限性。
• 解决先前方案中因原子运动、激光噪声和光移导致的退相干问题，这些因素会降低门保真度。
• 通过绝热单光子布居实现莫尔默-索伦森门，从而实现对两量子比特操作的鲁棒性。
• 展示一种自旋回声拓扑结构，以减轻静态和动态激光失谐误差引起的相位退化。
• 通过降低对实验不完善性（如光束指向和强度梯度）的敏感性，实现可扩展的量子架构。

提出的方法

• 通过绝热单光子布居将基态原子耦合至里德堡态，利用布居态能级位移产生有效自旋-自旋相互作用。
• 设计相互作用哈密顿量，使布居态能级分裂依赖于集体自旋态，从而实现受控相位操作。
• 应用自旋回声序列以抵消单原子光移，并抑制激光频率噪声引起的相位退化。
• 门幺正操作表示为 $\hat{U}_{\mathrm{MS}} = \exp[-i\phi_{J}\hat{S}_{y}^{2}]$，其中 $\phi_J$ 通过时变拉比耦合 $\Omega$ 和失谐 $\Delta$ 积累。
• 通过布居拉比测量提取相互作用强度 $J^\pm$，得到 $c_6 = 25(1)\;\mathrm{GHz} \cdot \mu\mathrm{m}^6$。
• 协议采用双脉冲序列，对称开启时间确保非绝热和静态相位误差的回声抵消。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在中性原子中通过单光子里德堡态布居而非双光子跃迁实现莫尔默-索伦森门？
• RQ2 与传统里德堡阻塞门相比，里德堡布居在抑制原子运动和激光噪声方面有何改进？
• RQ3 在布居原子系统中，自旋回声拓扑结构在多大程度上可抑制激光频率波动引起的相位退化？
• RQ4 该门协议中的主要保真度损失来源是什么？能否通过提高激光稳定性或使用绝热捷径来缓解？
• RQ5 该方法能否实现与现有最佳中性原子门相当的高保真度纠缠？

主要发现

• 实验通过单光子里德堡布居实现了莫尔默-索伦森门，测得相互作用强度 $J^+ = 2\pi \times 2.95(5)$ MHz 和 $c_6 = 25(1)\;\mathrm{GHz} \cdot \mu\mathrm{m}^6$。
• 门保真度主要受限于激光频率噪声，估计其因非稳态失谐和 $J(\Delta,\Omega)$ 波动导致保真度降低5%–10%。
• 里德堡态的自发辐射在300 K下170 μs寿命时贡献约0.25%的误差概率，可通过提高拉比频率或使用绝热捷径降低。
• 经测量误差校正的偶极测量确认了相干叠加，通过正弦拟合提取 $|\rho_{00,11}|$，表明纠缠态具有高相干性。
• 由于采用单光子、绝热布居方案，该协议对原子运动和强度梯度表现出强免疫性。
• 理论分析表明，通过提高激光稳定性和更快的上升时间，门保真度超过95%是可实现的。