[论文解读] On-Demand Entanglement of Molecules in a Reconfigurable Optical Tweezer Array

Connor M. Holland, Yukai Lu+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 12, 2022

Quantum Information and Cryptography参考文献 4被引用 8

一句话总结

本论文通过可重构光镊阵列，利用长程电偶极相互作用，在按需生成的激光冷却CaF分子中实现了确定性纠缠，实现了iSWAP门并制备出保真度为80(2)%的贝尔态（经SPAM校正）。这是首次在捕获分子中实现受控纠缠，为基于分子平台的可扩展量子模拟与量子信息处理铺平了道路。

ABSTRACT

Entanglement is crucial to many quantum applications including quantum information processing, simulation of quantum many-body systems, and quantum-enhanced sensing. Molecules, because of their rich internal structure and interactions, have been proposed as a promising platform for quantum science. Deterministic entanglement of individually controlled molecules has nevertheless been a long-standing experimental challenge. Here we demonstrate, for the first time, on-demand entanglement of individually prepared molecules. Using the electric dipolar interaction between pairs of molecules prepared using a reconfigurable optical tweezer array, we realize an entangling two-qubit gate, and use it to deterministically create Bell pairs. Our results demonstrate the key building blocks needed for quantum information processing, simulation of quantum spin models, and quantum-enhanced sensing. They also open up new possibilities such as using trapped molecules for quantum-enhanced fundamental physics tests and exploring collisions and chemical reactions with entangled matter.

研究动机与目标

• 在受控量子平台上实现对单个分子的确定性、按需纠缠。
• 克服长期以来对单个分子实现微观控制下纠缠的长期挑战。
• 通过可重构光镊阵列中分子间的相干偶极相互作用，演示两比特纠缠门。
• 制备并验证贝尔态，作为分子量子信息处理的基准。
• 为未来在量子模拟、量子增强传感及基础物理检验中应用纠缠分子系统铺平道路。

提出的方法

• 分子通过激光冷却并装载至间距为4.20(6) μm的37个光阱组成的可重构光镊阵列中。
• 通过非破坏性检测与重配置协议，将占据的光阱重新排列为具有受控间距的一维成对分子阵列。
• 利用光学泵浦和拉曼跃迁，将分子初始化至单一振转态与自旋态。
• 通过长程电偶极-偶极相互作用介导的相干旋转态间偶极自旋交换相互作用，实现iSWAP门。
• 通过测量贝尔态的占据不平衡性，观察到2θ调制，其可见度与纠缠一致，从而验证纠缠。
• 对态制备与测量（SPAM）误差进行校正，以提取真实的贝尔态保真度。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否仅通过光学控制与光镊阵列中的偶极相互作用，在可重构光镊阵列中实现单个激光冷却分子的确定性纠缠？
• RQ2 在受控环境中，使用分子量子比特按需制备贝尔态的保真度与寿命是多少？
• RQ3 在纠缠制备后，分子被空间分离，纠缠是否仍能保持，从而实现远距离连通性？
• RQ4 分子态的相干性与偶极相互作用在分子平台上如何实现通用量子门？
• RQ5 与非纠缠态相比，纠缠分子态在多大程度上可提升计量灵敏度？

主要发现

• 研究人员实现了80(2)%的SPAM校正贝尔态保真度，证明了单个分子的高保真度按需纠缠。
• 贝尔态的寿命测量为85(5) ms，与预期的单粒子退相干时间一致，但略短。
• 在3 ms内将分子分离至4.20(6) μm距离后，纠缠仍被保持，表明对空间位移具有鲁棒性。
• 占据不平衡性的2θ调制证实了纠缠的存在，并表明其计量灵敏度相比可分态提高了两倍。
• 2θ振荡的相位确认有效交换相互作用J > 0，表明为反铁磁性自旋交换相互作用。
• 单粒子重排保真度测量为97.4(1)%，实现了用于量子实验的无缺陷分子阵列初始化。