[论文解读] Optimal self-assembly of Rydberg excitations for quantum gate operations

Martin Gärttner, Kilian P. Heeg+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 13, 2012

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 1

一句话总结

本文提出使用连续波非共振激光驱动，诱导超冷原子云中Rydberg激发的最优自组织，形成具有可调空间关联性的非对称激发结构。通过利用Rydberg阻塞效应与几何排布，该方法可在无需对单个原子进行外部控制的情况下，高效实现三原子CSWAP（Fredkin）量子门。

ABSTRACT

The dynamics of a cloud of ultra-cold two-level atoms is studied at off-resonant laser driving to a Rydberg state. We find that resonant excitation channels lead to strongly peaked spatial correlations associated with the buildup of asymmetric excitation structures. These aggregates can extend over the entire ensemble volume, but are in general not localized relative to the system boundaries. The characteristic distances between neighboring excitations depend on the laser detuning and on the interaction potential. These properties lead to characteristic features in the spatial excitation density, the Mandel $Q$ parameter, and the total number of excitations. As an application an implementation of the three-atom CSWAP or Fredkin gate with Rydberg atoms is discussed. The gate not only exploits the Rydberg blockade, but also utilizes the special features of an asymmetric geometric arrangement of the three atoms. We show that continuous-wave off-resonant laser driving is sufficient to create the required spatial arrangement of atoms out of a homogeneous cloud.

研究动机与目标

• 探索非共振激光驱动如何在超冷Rydberg原子中诱导自组织激发图案。
• 理解激光失谐与相互作用势在塑造Rydberg激发空间关联性中的作用。
• 展示一种利用集体激发动力学实现可扩展三原子CSWAP门的方法。
• 证明连续波驱动可从均匀原子云中生成所需的非对称原子几何结构。
• 利用空间激发密度、Mandel Q参数和总激发数作为保真度指标。

提出的方法

• 建立在连续波、非共振激光激发至Rydberg态下，对两能级原子系综的动力学建模。
• 利用Rydberg阻塞效应抑制阻塞半径内的多重激发。
• 分析由共振激发通道与偶极-偶极相互作用引起的激发空间关联性。
• 通过调节激光失谐，控制激发间的特征距离与结构非对称性。
• 采用Mandel Q参数与总激发数作为激发统计与关联强度的探测工具。
• 通过自组织形成的非对称几何排布，设计三原子CSWAP门。

实验结果

研究问题

• RQ1 激光失谐与相互作用势如何影响Rydberg激发的空间关联结构？
• RQ2 连续波非共振驱动能否在均匀原子云中诱导出自组织的非对称激发图案？
• RQ3 空间激发密度与Mandel Q参数在表征自组装激发结构中起什么作用？
• RQ4 如何利用自组装的激发几何结构实现三体量子门？
• RQ5 自组织过程在多大程度上实现无需单个量子比特寻址的门操作？

主要发现

• 共振激发通道导致空间关联性强烈集中，并形成贯穿整个系综的非对称激发聚集体。
• 相邻激发之间的特征距离可通过激光失谐与相互作用势进行调节。
• 空间激发密度、Mandel Q参数与总激发数表现出与自组织结构相关的显著特征。
• 自组织激发图案使得仅通过连续波非共振驱动即可实现三原子CSWAP门。
• Fredkin门所需的非对称几何排布自然地从原子云的动力学中浮现，无需外部位点特异性控制。
• 该方法通过结合Rydberg阻塞与集体自组装激发图案，实现门操作。