[论文解读] Erasure-cooling, control, and hyper-entanglement of motion in optical tweezers

Adam L. Shaw, Pascal Scholl+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 27, 2023

Quantum Information and Cryptography被引用 5

一句话总结

该论文展示了一种在光镊中实现的与物种无关的擦除冷却技术，可将运动激发转化为可检测的、局域化的错误（擦除），从而实现保真度达98.4%的基态制备。该方法优于传统边带冷却，实现了中间电路读出、运动叠加态的相干操控以及运动与光学量子比特的超纠缠，光学贝尔态的保真度达到93%，并通过振幅振荡验证了运动纠缠的贝尔态。

ABSTRACT

Coherently controlling the motion of single atoms in optical tweezers would enable new applications in quantum information science. To demonstrate this, we first prepare atoms in their motional ground state using a species-agnostic cooling mechanism that converts motional excitations into erasures -- errors with a known location. This cooling mechanism fundamentally outperforms idealized traditional sideband cooling, which we experimentally demonstrate. By coherently manipulating the resultant pure motional state, we perform mid-circuit readout and mid-circuit erasure detection via local shelving into motional superposition states. We finally entangle the motion of two atoms in separate tweezers and generate hyper-entanglement by preparing a simultaneous Bell state of motional and optical qubits, unlocking a large new class of quantum operations with neutral atoms.

研究动机与目标

• 开发一种利用擦除错误纠错的、与物种无关的光镊中运动自由度的冷却机制。
• 实现运动态的相干操控，以支持中间电路读出和量子信息处理。
• 展示两个独立原子之间运动的纠缠，并通过同时纠缠运动与光学量子比特来实现超纠缠。
• 将新冷却方法与理想化的边带冷却进行基准测试，并通过实验验证其优越性。
• 探索在容错量子计算、精密测量与量子通信中利用超纠缠态的应用。

提出的方法

• 实施一种冷却协议，通过选择性地将激发的运动态转移到电子基态，将运动激发转化为已知位置的擦除错误。
• 通过选择性成像伪自旋态 |↓⟩ 来检测存在运动激发的原子，而不会扰动处于运动基态的原子。
• 应用自旋-运动转换步骤，将内部态与运动态纠缠，从而通过状态依赖的荧光检测运动激发。
• 通过制备运动态的相干叠加并利用局部驻留与检测测量结果，实现中间电路读出。
• 利用里德堡介导的相互作用实现受控-相位门，将两个分立光镊中原子的电子态纠缠。
• 通过受控地改变阱深差异诱导振幅振荡，验证运动纠缠，以区分偶-parity 与奇-parity 运动贝尔态。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在光镊中将运动激发转化为可检测的擦除错误，以实现与物种无关的基态冷却？
• RQ2 在实验设置中，擦除冷却性能与理想化边带冷却相比如何？
• RQ3 能否利用运动态的相干叠加实现光学量子比特的中间电路读出？
• RQ4 能否同时纠缠运动与电子量子比特以生成超纠缠？
• RQ5 哪些实验特征可确认纠缠运动态的制备？如何将其与其他态区分开？

主要发现

• 擦除冷却协议在无需后选择的情况下实现了0.984+4-5的运动基态占据数，后选择后达到0.995+3-4，证明了高保真度基态制备。
• 实验对比模拟结果证实，该新冷却方法在浅阱中系统性优于理想化的边带冷却。
• 通过运动态的相干叠加与选择性检测，实现了光学量子比特的中间电路读出，实现了实时态监控。
• 电子自由度中制备的贝尔态保真度（未校正SPAM）为0.93+2-2，振幅振荡对比度为0.89+1-1。
• 观测到奇-parity 运动贝尔态 |Φ⁺,↑↑⟩ 的振幅振荡，证实其制备；而 |Ψ⁺,↑↑⟩ 未显示显著振荡，通过受控的阱深差异验证。
• 通过改变阱深后观察到的振幅振荡实验验证了运动纠缠，明确区分了偶-parity 与奇-parity 态，证实了真实纠缠运动态的制备。