[论文解读] Quantum science with arrays of metastable helium-3 atoms

Zheyuan Li, Rupsa De+8 more|arXiv (Cornell University)|Jan 11, 2026

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 0

一句话总结

论文提出并分析利用光学镊子阵列中的准稳Helium-3原子的平台，能够实现更快的费米子跃迁、基于拉曼的量子比特操作，以及费米子量子模拟与计算的新路径。

ABSTRACT

The motion of atoms in programmable optical tweezer arrays offers many new opportunities for neutral atom quantum science. These include inter- and intra-site atom motion for resource-efficient implementations of fermionic and bosonic modes, respectively, as well as tweezer transport for efficient compilation of arbitrary circuits. However, the exploitation of atomic motion for all three purposes and others is limited by the inertia of the atoms. We present a comprehensive architectural blueprint for the use of fermionic metastable helium-3 ($^3$He$^*$) atoms -- the lightest trappable atomic species -- in programmable optical tweezer arrays. This includes a concrete analysis of atomic structure considerations as well as Rydberg-mediated interactions. We show that inter-tweezer hopping of $^3$He$^*$ atoms can be $\gtrsim3 imes$ faster than previous demonstrations with lithium-6. We also demonstrate a new toolbox for encoding and manipulating qubits directly in the tweezer trap potential, uniquely enabled by the light mass of $^3$He$^*$. Finally, we provide several examples of new opportunities for fermionic quantum simulation and computation that leverage the transport and inter-tweezer hopping of $^3$He$^*$ atom arrays. These tools present new methods to improve the resource efficiency of neutral atom quantum science that may also enable quantum simulations of lattice gauge theories and quantum chemistry outside the Born-Oppenheimer approximation

研究动机与目标

• 使用轻质准稳Helium-3原子作为可编程镊子阵列中最轻的可捕获费米粒子来驱动平台。
• 分析原子结构与捕获考虑，以实现3He*镊子平台中的拉曼冷却、读取和量子比特操作。
• 证明在可比条件下，3He*的镊子间跃迁速率可比Li-6快≈3倍及以上。
• 提出在镊子势中直接编码与操作量子比特的方法，利用3He*的轻质量。
• 概述使用3He*阵列进行费米子量子模拟、无Born-Oppenheimer近似的量子化学以及晶格规范理论模拟的机会。

提出的方法

• 给出以3He*在光学镊子阵列中的结构蓝图，重点关注运动与内部态控制。
• 描述相关能级结构（1s2s 3S1、1s2p 3P_J、1s3p 3P_J）及其对冷却、拉曼耦合与读出的意义。
• 讨论极化率与光位移考虑，确定合适的蓝位/红位陷阱波长（1013 nm、1150 nm）以及潜在的类似魔术条件。
• 概述通过1s2s 3S1 ↔ 1s3p 3P_J（389 nm）与1s3p 3P_J ↔ 1sns 3S1（785 nm）的两光子Rydberg激发方案用于相互作用。
• 描述使用1083 nm光的拉曼Sideband冷却（RSC）及径向和轴向的兰姆-狄克参数。
• 提出使用辅助镊子进行基于测量的冷却/误差检测方案，以映射并读出热误差。

Figure 1 : Advantages of small mass for quantum science applications . (a) The trap frequency of an atom in a tweezer scales as $\omega\sim m^{-1/2}$ . (b) For fermionic hopping operations, the tunneling rate scales as $t\sim m^{-1}$ for the same trap depth in recoil units $E_{R}$ . (c) A large trap

实验结果

研究问题

• RQ1 如何利用光学镊子阵列中的3He*相对于较重的物种提高运动与费米操作速度？
• RQ2 哪些陷阱波长和极化率区间能实现对3He*的高保真拉曼边带冷却与读出？
• RQ3 是否可以直接在镊子势中编码与操纵3He*的量子比特，最优的磁场条件是什么以实现鲁棒门？
• RQ4 检测与缓解热误差以实现无缺陷的3He*阵列的实际体系结构有哪些？
• RQ5 3He*阵列如何实现新的费米子模拟，包括晶格规范理论和非Born-Oppenheimer量子化学？

主要发现

• 3He*的镊子间跃迁速率可以比先前的Li-6演示快≈3倍以上。
• 提出一种轻原子平台，其量子比特可在镊子势中编码，并借助3P_J态族中的大精细结构和超精细结构实现。
• 两光子方案通过389 nm激发实现Rydberg相互作用，支持3He*的纠缠操作。
• 蓝位与红位陷阱波长（1013 nm与1150 nm）被识别为有前景的选项，在g、e、p态之间具有有利的极化率比。
• 在1150 nm处量子比特态间的差分极化率很小（0.015%），表明在适度的去相干抑制下相干性是可实现的。
• 使用辅助镊子的基于测量的冷却方法可能映射并读出热误差，而不扰动科学阵列。

Figure 2 : Relevant level structure for 3 He*. (a) The level diagram including the absolute ground state $1s^{2}$ ${}^{1}S_{0}$ ; the $1s2s$ ${}^{3}S_{1}$ “metastable ground” state; the $1s2s$ ${}^{1}S_{0}$ “clock” state; the $1s2p$ ${}^{3}P_{J}$ manifold for cooling, optical pumping, and Raman coup