[论文解读] Mid-circuit qubit measurement and rearrangement in a $^{171}$Yb atomic array

Matthew A. Norcia, William B. Cairncross+43 more|arXiv (Cornell University)|May 30, 2023

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 44被引用 17

一句话总结

该论文展示在单一物种171Yb中立原子阵列中实现非破坏性、状态选择性和站点选择性中电路量子比特读出，利用窄线成像和站点隐藏保护数据量子比特，并展示在保持数据量子比特相干性的条件下对 ancilla 的重新填充和 MOT 加载。

ABSTRACT

Measurement-based quantum error correction relies on the ability to determine the state of a subset of qubits (ancillae) within a processor without revealing or disturbing the state of the remaining qubits. Among neutral-atom based platforms, a scalable, high-fidelity approach to mid-circuit measurement that retains the ancilla qubits in a state suitable for future operations has not yet been demonstrated. In this work, we perform imaging using a narrow-linewidth transition in an array of tweezer-confined $^{171}$Yb atoms to demonstrate nondestructive state-selective and site-selective detection. By applying site-specific light shifts, selected atoms within the array can be hidden from imaging light, which allows a subset of qubits to be measured while causing only percent-level errors on the remaining qubits. As a proof-of-principle demonstration of conditional operations based on the results of the mid-circuit measurements, and of our ability to reuse ancilla qubits, we perform conditional refilling of ancilla sites to correct for occasional atom loss, while maintaining the coherence of data qubits. Looking towards true continuous operation, we demonstrate loading of a magneto-optical trap with a minimal degree of qubit decoherence.

研究动机与目标

• 在一个171Yb中立原子阵列中演示非破坏性、状态选择性和站点选择性中电路量子比特读出。
• 显示在数据量子比特保持相干的同时对选定的 ancilla 量子比特进行测量。
• 展示基于中电路测量的有条件操作，包括原子损失后的 ancilla 位点重新填充。
• 说明在中电路测量和 ancilla 重排过程中数据量子比特的相干性得以持续保持。
• 探讨在保持数据量子比特相干性的同时加载磁光陷阱(MOT)。

提出的方法

• 使用171Yb的窄线成像跃迁，通过耦合到3P1 mF态实现对量子态1和0的状态选择成像。
• 施加较大的Zeeman位移（500 G场）以实现高状态选择性并抑制泄漏。
• 使用站点选择性隐藏光屏蔽所选量子比特不受成像光影响，并实现 ancilla 量子比特的并行读出。
• 在 Ramsey 序列中进行中电路测量，以量化相干性保持和相位漂移。
• 使用可移动的 tweezer 来重新排列原子，创建一个完全填充的子阵列并证明从储库对 ancilla 位点进行有条件重新填充。
• 在实验中演示 MOT 加载，以评估连续操作中的相干性。

Figure 1: (a) Experimental diagram. Individual 171 Yb atoms are trapped in the sites of an optical tweezer array in the presence of a 500 Gauss magnetic field. Two high-numerical-aperture objectives allow for site-resolved imaging, and the targeted application of trapping light (483 nm wavelength) a

实验结果

研究问题

• RQ1 在单一物种中立原子阵列中，是否可以对子集量子比特进行中电路状态选择性测量而不干扰其他量子比特？
• RQ2 站点选择性隐藏是否能够在保持数据量子比特相干性的同时实现对 ancilla 量子比特的高保真、非破坏性读出？
• RQ3 在多循环中，ancilla 量子比特在丢失后能否可靠地重新填充而不降低数据量子比特的相干性？
• RQ4 在计算过程中加载 MOT 是否可行而不会给数据量子比特带来不可接受的去相干？
• RQ5 受限的误差通道有哪些，以及成像、隐藏光和原子损失如何随系统规模变化？

主要发现

• 对171Yb量子比特的高保真、态分辨成像，具有非破坏性读出；典型成像在每个位点5 ms内产生约30个光子。
• 隐藏光提供高达74 MHz的差分位移，使站点选择性掩蔽成为可能，对数据量子比特的损失在百分比量级，且对 ancilla 成像影响极小。
• 对 ancilla 量子比特的中电路测量对数据量子比特引起的相干性影响较小，例如在成像和隐藏光下，Ramsey 条纹相位偏移为 1.59(2) rad，对比度下降为 1.3(8)%。
• ancilla 量子比特可从储库重新填充，在多达16次成像/重排循环中保持 ancilla-fill 率>98%，数据量子比特的对比度损失约为0.9(1)%/循环。
• 在 MOT 加载期间数据量子比特的相干性得以保持，额外的去相干率为0.03(2)/s，归因于 MOT 散射光。
• 这一点表明磁光陷阱可以以有限的去相干加载方式进行，为持续运行提供途径。

Figure 2: Coherence-preserving mid-circuit measurement of sub-array. (a) Experimental sequence for characterizing mid-circuit measurement, with operations performed on data sites indicated in the upper row and operations performed on ancilla sites in the lower row. Measurements are performed on anci