[论文解读] An atomic boson sampler

Aaron W. Young, Shawn Geller+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 13, 2023

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 82被引用 4

一句话总结

该论文通过在二维光晶格中使用超冷玻色子原子实现了原子玻色子采样，利用光镊重新排列实现高不可区分性（99.5%）和高保真度冷却。该系统实现了低损耗（5.0%）和近乎完美的探测保真度（99.8%）的可编程、非相互作用量子行走，验证了最多180个原子在约1000个晶格位点上的玻色子聚束和幺正动力学。

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.

研究动机与目标

• 使用超冷原子气体而非光子，实现可扩展、高保真度的玻色子采样平台。
• 通过利用原子在制备和探测方面优越的能力，克服光子玻色子采样中的局限性，如低光子不可区分性和高损耗。
• 在受控的多体量子系统中验证玻色子采样所预测的核心量子干涉效应，尤其是聚束效应。
• 开发并展示在晶格中按需制备、演化和探测相同玻色子 Fock 态的工具。
• 通过以受控方式组装和演化多体量子态，为未来模拟 Hubbard 模型铺平道路。

提出的方法

• 利用光镊对超冷玻色子原子的大阵列进行重新排列和制备，实现高空间精度的特定 Fock 态。
• 采用高保真度激光冷却技术，实现原子之间99.5%的不可区分性，这对量子干涉效应至关重要。
• 在具有可变演化时间的二维隧穿耦合光晶格中执行量子行走，长时间保持低损耗（5.0%）。
• 利用位点和原子分辨成像技术，以99.8%的保真度检测最终原子位置，实现晶格位点间的关联测量。
• 应用事后选择技术，抑制单粒子损耗、成像缺陷和重新排列不完善带来的误差。
• 采用时间标记和位置标记策略，区分不可区分粒子与可区分粒子，从而校准干涉特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在光晶格中超冷原子中实现可扩展的玻色子采样装置，具备高不可区分性和低损耗？
• RQ2 观测到的干涉图案（如聚束）在多大程度上符合不可区分玻色子在非相互作用量子行走中的理论预测？
• RQ3 从测量的量子行走数据中，对所施加的单粒子幺正演化能多准确地表征？
• RQ4 是否能在广泛的粒子数范围内（最多180个原子）观测并量化广义聚束行为？
• RQ5 在束缚原子系统中，按需制备、演化和探测多体 Fock 态的保真度和可扩展性如何？

主要发现

• 系统实现了原子之间99.5%的不可区分性，通过有针对性的 HOM 深凹测量和干涉可见度得到验证。
• 单粒子损耗测量为5.0(2)%，且与演化时间无关，表明量子行走具有稳定的长时间运行能力。
• 探测保真度达到99.8(1)%，能够实现多体关联函数的高精度测量。
• 在原子数范围（2至36）内观测到与不可区分玻色子一致的聚束特征，与理论预测定量吻合。
• 从量子行走数据推断的幺正演化与理论预测一致，验证了系统的可编程动力学。
• 在180个原子的实验中，测得广义聚束参数 m=1015，证明了在原子系统中研究大规模量子干涉的可行性。