論文の概要: Quantum circuits based on topological pumping in optical lattices

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2409.02984v1
• Date: Wed, 4 Sep 2024 18:00:00 GMT
• ステータス: 処理完了
• システム内更新日: 2024-09-07 00:59:44.167370
• Title: Quantum circuits based on topological pumping in optical lattices
• Title（参考訳）: 光格子におけるトポロジカルポンピングに基づく量子回路
• Authors: Zijie Zhu, Yann Kiefer, Samuel Jele, Marius Gächter, Giacomo Bisson, Konrad Viebahn, Tilman Esslinger,
• Abstract要約: トポロジカルポンプは一般に長寿命の原子状態や分子状態に適用できる。 原子一重項対の1シフト忠実度は、50以上の格子サイトにおいて99.57(4)%であることを示す。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: Gate operations composed in quantum circuits form the basis of digital quantum simulation and quantum processing. While two-qubit gates generally operate between nearest neighbours, many circuits require non-local connectivity, necessitating some form of quantum information transport, such as the repeated application of SWAP gates or qubit shuttling. Preserving motional coherence during such transport remains a key challenge to improve gate fidelity and qubit connectivity, as well as to connect local fermionic modes. Here we combine tuneable gate operations between fermionic potassium-40 atoms - based on superexchange interaction - with their bidirectional transport via topological Thouless pumping in an optical lattice. We demonstrate shuttling of atomic singlet pairs with a single-shift fidelity of 99.57(4)% over 50 lattice sites. We spatially and coherently split a large number of randomly distributed fermionic spin singlet pairs and show $($SWAP$)^\alpha$-gate operations between atoms encountering each other during transport. As a signature of entanglement between fermions separated over large distances and interwoven with each other, we observe multi-frequency singlet-triplet oscillations. Topological pumping is generally applicable to long-lived atomic and molecular states, and specifically overcomes lifetime limitations inherent to transport using state-dependent optical lattices. Our work opens up new avenues for transport of quantum information and offers unprecedented possibilities for engineering connectivity in quantum circuits, including approaches based on fermionic modes, as well as for atom interferometry.
• Abstract（参考訳）: 量子回路を構成するゲート演算は、デジタル量子シミュレーションと量子処理の基礎を形成する。 2ビットゲートは一般に近接する隣り合って動作するが、多くの回路は非局所接続を必要とし、SWAPゲートの繰り返し適用やクビットシャットリングのようなある種の量子情報転送を必要とする。 このような輸送中の運動コヒーレンスを保存することは、ゲートの忠実度とクビット接続を改善し、局所フェルミオンモードを接続する上で重要な課題である。 ここでは、超交換相互作用に基づくフェルミオンカリウム-40原子間の調整可能なゲート操作と、トポロジカルThoulessポンプによる光格子内の双方向輸送を組み合わせる。 原子一重項対の1シフト忠実度は、50以上の格子サイトにおいて99.57(4)%であることを示す。 我々は,多数のランダム分散フェルミオンスピン一重項対を空間的に,コヒーレントに分割し,輸送中に遭遇する原子間の$($SWAP$)^\alpha$-gate演算を示す。 フェミオン間の絡み合いのサインとして,多周波一重項-三重項振動を観測した。 トポロジカルポンピングは一般に長寿命の原子および分子状態に適用され、特に状態依存光学格子を用いた輸送に固有の寿命制限を克服する。 我々の研究は、量子情報の輸送のための新しい道を開き、フェルミオンモードに基づくアプローチや原子干渉計など、量子回路における工学的接続に先例のない可能性を提供する。

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