[论文解读] Control and Entanglement of Individual Rydberg Atoms Near a Nanoscale Device

Paloma Ocola, Ivana Dimitrova+6 more|arXiv (Cornell University)|Oct 23, 2022

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 5

一句话总结

本研究在距离纳米级氮化硅（SiN）器件仅100 μm处，实现了Rydberg原子的相干控制及双原子纠缠，尽管存在强烈的电场噪声。通过使用量子纠缠辅助传感与紫外光诱导电荷中和，团队成功测绘并稳定了电场环境，实现了鲁棒的量子控制，为Rydberg原子阵列与光子及电子器件的可扩展集成铺平了道路。

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.

研究动机与目标

• 通过克服表面电场噪声引起的退相干，实现Rydberg原子阵列与纳米光子及电子器件的可扩展集成。
• 利用Rydberg原子作为量子传感器，测绘纳米尺度介电器件附近的电场噪声时空特性。
• 在存在强烈场波动的情况下，证明在距离器件仅100 μm处实现相干控制与双原子纠缠。
• 通过紫外光照中和表面电荷，稳定Rydberg相干性，从而降低电场噪声。
• 表征由器件电场引起的Rydberg-Rydberg相互作用各向异性，实现定制化量子门操作。

提出的方法

• 使用420 nm与1013 nm激光通过双光子跃迁，将单个87Rb原子在光镊中相干激发至|70S⟩ Ryzberg态。
• 通过测量距离SiN纳米光子器件不同距离时的Rydberg能级位移，推断电场环境，并将数据拟合至点电荷模型，得到有效电荷q = 126(11)e。
• 采用紫外二极管光照调节表面电荷态，降低电场波动，稳定Rydberg相干性，实现距离低至90 μm的相干控制。
• 通过测量原子取向相对于电场矢量时Rydberg阻塞软化的程度，实现纠缠辅助传感。
• 利用点电荷与均匀背景电场的最小模型重构电场环境，并通过与实测梯度数据对比进行验证。
• 通过π脉冲后|rr⟩态的布居数测量Rydberg-Rydberg相互作用强度，并与使用Pair Interaction Python软件包的数值模拟结果对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管存在强烈的电场噪声，Rydberg相干性与纠缠是否可在距离纳米尺度介电器件约100 μm处保持？
• RQ2 器件附近的电场环境在空间与时间上如何变化？是否可利用Rydberg原子作为传感器实现其测绘与调控？
• RQ3 紫外光照在多大程度上可稳定电场环境，并延长器件附近的Rydberg相干时间？
• RQ4 器件引起的各向异性电场如何影响Rydberg-Rydberg相互作用与阻塞行为？
• RQ5 能否通过优化Rydberg态的主量子数n，降低对电场噪声的敏感性，同时保持门保真度？

主要发现

• 在距离SiN器件最近90 μm处，Rydberg相干性得以保持，130 μm处T₂ = 4.1(2) μs，表明存在准静态电场噪声。
• 点电荷模型与实测能级位移数据拟合良好，器件上有效电荷为126(11)e，与表面电荷波动一致。
• 紫外光照通过中和表面电荷降低电场噪声，稳定Rydberg能级位移，实现低至90 μm的相干控制。
• 背景电场可通过紫外光功率调节，在160 μm处实现ΔEₓ = −0.23(3) V/cm的位移，表明可调控电场环境。
• Rydberg阻塞软化具有各向异性，垂直于电场矢量方向观察到更强的阻塞破坏，与数值模拟结果一致。
• 将Rydberg主量子数优化至n ≈ 55，可使对电场噪声的敏感性降低约5倍，同时保持U/Ω ≈ 230，维持门保真度。