[论文解读] Scalable multilayer architecture of assembled single-atom qubit arrays in a three-dimensional Talbot tweezer lattice

Malte Schlosser, Sascha Tichelmann+5 more|arXiv (Cornell University)|Feb 14, 2019

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 5

一句话总结

本文提出一种基于微透镜阵列生成的塔夫特光镊晶格的可扩展3D多层架构，用于单原子量子比特阵列。该架构利用塔夫特自成像效应，无需额外硬件即可将二维光镊阵列扩展至多个轴向平面。该平台实现了多层无缺陷的原子阵列组装，每2D层实现超过750个量子比特位点，并可扩展至3D中10,000个量子比特位点，具备可配置的阱拓扑结构与动态亚晶格寻址能力。

ABSTRACT

We report on the realization of a novel platform for the creation of large-scale 3D multilayer configurations of planar arrays of individual neutral-atom qubits: a microlens-generated Talbot tweezer lattice that extends 2D tweezer arrays to the third dimension at no additional costs. We demonstrate the trapping and imaging of rubidium atoms in integer and fractional Talbot planes and the assembly of defect-free atom arrays in different layers. The Talbot self-imaging effect for microlens arrays constitutes a structurally robust and wavelength-universal method for the realization of 3D atom arrays with beneficial scaling properties. With more than 750 qubit sites per 2D layer, these scaling properties imply that 10000 qubit sites are already accessible in 3D in our current implementation. The trap topology and functionality are configurable in the micrometer regime. We use this to generate interleaved lattices with dynamic position control and parallelized sublattice addressing of spin states for immediate application in quantum science and technology.

研究动机与目标

• 开发一种可扩展、结构稳固的大规模3D中性原子量子比特阵列平台。
• 通过利用塔夫特效应将二维光镊阵列扩展至第三维，突破其可扩展性限制。
• 实现多层间高保真度、无缺陷的原子阵列组装，具备可配置的阱拓扑结构与动态控制能力。
• 实现可扩展的量子模拟与计算，具备可调相互作用与并行亚晶格寻址能力。

提出的方法

• 利用微透镜阵列（MLA）在焦平面生成周期性高斯光束阵列，形成塔夫特自成像的源图案。
• 采用中继光学系统重映射并缩小焦平面，实现阱间距、阱深与塔夫特长度的可配置性。
• 利用塔夫特效应在轴向上间隔 $ z_T/2 $ 处产生周期性自成像（塔夫特平面），形成与源平面具有相同面内几何结构的3D多层晶格。
• 通过可配置的光束阵列与空间光调制，实现动态位置控制与交错晶格构型。
• 利用荧光成像检测并验证整数与分数塔夫特平面上的单原子占据情况。
• 应用统计容差分析，量化MLA参数制造误差对各平面上阱强度、位置与稳定性的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用塔夫特效应，仅通过单一2D微透镜阵列源，构建可扩展的3D多层光镊晶格？
• RQ2 微透镜阵列与光束参数的制造公差在多大程度上影响3D阱阵列的稳定性与均匀性？
• RQ3 能否在高保真度下实现多塔夫特平面上无缺陷的单原子阵列组装与成像？
• RQ4 自成像过程如何缓解初始2D阱阵列中的缺陷？其在高阶平面中对阱质量的改善程度如何？
• RQ5 该平台在3D中可实现的最大可扩展量子比特数量是多少？能否实现动态控制与亚晶格寻址？

主要发现

• 塔夫特光镊晶格可在仅增加2D微透镜阵列成本的前提下，实现无需额外硬件的3D多层单原子量子比特阵列。
• 每2D层实现超过750个量子比特位点，当前实现可扩展至3D中超过10,000个量子比特位点。
• 成功在整数与分数塔夫特平面上实现无缺陷的原子阵列组装与成像，证实了高保真度的位点占据。
• 统计容差分析表明，MLA与光束参数的不完美在高阶塔夫特平面中显著被抑制，光镊强度的标准差降低至 $ ar{ ho}_I = 0.05 $，即低于理想值1%的偏差。
• 横向与轴向光镊位置不确定性在阱尺寸的百分之几量级，表明各平面上具有高度的位置稳定性。
• 自成像过程具有自修复机制，显著降低了输入光束与MLA不完美性的影响，尤其在远离源平面（$ T_0 $）的主平面中更为明显。