論文の概要: Quantum Register of Fermion Pairs
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2103.13992v1
- Date: Thu, 25 Mar 2021 17:30:37 GMT
- ステータス: 処理完了
- システム内更新日: 2023-04-06 21:35:36.859683
- Title: Quantum Register of Fermion Pairs
- Title（参考訳）: フェルミオンペアの量子登録
- Authors: Thomas Hartke, Botond Oreg, Ningyuan Jia, Martin Zwierlein
- Abstract要約: 超低温フェルミオン原子に基づく量子シミュレータは、パラダイム的フェルミ系を直接実現する。
フェルミオンモデルの量子計算はフェルミオン反対称性の実装において大きな課題に直面している。
光学格子に閉じ込められた数百個のフェルミオン原子対からなる頑健な量子レジスタを実証する。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
- License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
- Abstract: Fermions are the building blocks of matter, forming atoms and nuclei, complex
materials and neutron stars. Our understanding of many-fermion systems is
however limited, as classical computers are often insufficient to handle the
intricate interplay of the Pauli principle with strong interactions. Quantum
simulators based on ultracold fermionic atoms instead directly realize
paradigmatic Fermi systems, albeit in "analog" fashion, without coherent
control of individual fermions. Digital qubit-based quantum computation of
fermion models, on the other hand, faces significant challenges in implementing
fermionic anti-symmetrization, calling for an architecture that natively
employs fermions as the fundamental unit. Here we demonstrate a robust quantum
register composed of hundreds of fermionic atom pairs trapped in an optical
lattice. With each fermion pair forming a spin-singlet, the qubit is realized
as a set of near-degenerate, symmetry-protected two-particle wavefunctions
describing common and relative motion. Degeneracy is lifted by the atomic
recoil energy, only dependent on mass and lattice wavelength, thereby rendering
two-fermion motional qubits insensitive against noise of the confining
potential. We observe quantum coherence beyond ten seconds. Universal control
is provided by modulating interactions between the atoms. Via state-dependent,
coherent conversion of free atom pairs into tightly bound molecules, we tune
the speed of motional entanglement over three orders of magnitude, yielding
$10^4$ Ramsey oscillations within the coherence time. For site-resolved
motional state readout, fermion pairs are coherently split into a double well,
creating entangled Bell pairs. The methods presented here open the door towards
fully programmable quantum simulation and digital quantum computation based on
fermions.
- Abstract（参考訳）: フェルミオン(Fermion)は、原子と核、複雑な物質、中性子星を形成する物質である。
しかし、多くのフェルミ系に対する我々の理解は限定的であり、古典的コンピュータはしばしば強い相互作用を持つパウリ原理の複雑な相互作用を扱うのに不十分である。
超低温フェルミオン原子に基づく量子シミュレータは、個々のフェルミオンをコヒーレントに制御することなく「アナログ」な方法で、パラダイム的なフェルミ系を直接実現する。
一方、フェルミオンモデルのデジタル量子計算は、フェルミオン反対称性の実装において重大な課題に直面し、フェルミオンを基本単位としてネイティブに使用するアーキテクチャを求める。
ここでは、光格子に閉じ込められた数百個のフェルミオン原子対からなるロバスト量子レジスタを示す。
それぞれのフェルミオン対がスピンシンガレットを形成することにより、クォービットは共通運動と相対運動を記述した近縮退した対称性で保護された2粒子波動関数の集合として実現される。
縮退は原子の反動エネルギーによって持ち上げられ、質量と格子の波長のみに依存するため、2フェルミオン運動量子ビットは閉じ込められた電位のノイズに影響を受けない。
量子コヒーレンスを10秒以上観測する。
普遍制御は原子間の相互作用を変調することで与えられる。
自由原子対を密結合した分子に状態依存的コヒーレント変換することで、運動の絡み合い速度を3桁以上調整し、コヒーレンス時間内に10^4$のラムゼー振動を発生させる。
サイト分解された運動状態の読み出しでは、フェルミオン対は二重井戸にコヒーレントに分割され、絡み合ったベル対を生成する。
ここで提示された手法は、完全にプログラム可能な量子シミュレーションとフェルミオンに基づくデジタル量子計算への扉を開く。
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