論文の概要: Motion-Insensitive Time-Optimal Control of Optical Qubits

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2410.02452v1
• Date: Thu, 3 Oct 2024 12:59:05 GMT
• ステータス: 処理完了
• システム内更新日: 2024-11-04 03:11:05.543916
• Title: Motion-Insensitive Time-Optimal Control of Optical Qubits
• Title（参考訳）: 光量子の運動非感性時間最適制御
• Authors: Léo Van Damme, Zhao Zhang, Amit Devra, Steffen J. Glaser, Andrea Alberti,
• Abstract要約: 光量子ビットの高忠実性制御は、閉じ込められた原子量子コンピュータでは困難である。 我々は光子反動と熱運動を抑制する動作非感応パルスを開発した。 動作に敏感なパルスは、レーザーの不均一性を補償するために精製することができる。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 3.9486286985169285
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: In trapped-atom quantum computers, high-fidelity control of optical qubits is challenging due to the motion of atoms in the trap. If not corrected, the atom motion gets entangled with the qubit degrees of freedom through two fundamental mechanisms, (i) photon recoil and (ii) thermal motion, both leading to a reduction of the gate fidelity. We develop motion-insensitive pulses that suppress both sources of infidelity by modulating the phase of the driving laser field in time. To eliminate photon recoil, we use bang-bang pulses$-$derived using time-optimal control$-$which shorten the gate duration by about 20 times compared to conventional pulses. However, even when photon recoil is eliminated, we find that the gate error does not vanish, but is rather limited by a bound arising from thermal motion-induced entanglement. Remarkably, this bound is independent of the Rabi frequency, meaning that, unlike for photon recoil, operating in the resolved sideband regime does not mitigate this source of infidelity. To overcome this bound, we derive smooth-phase pulses, which allow for a further reduction of the gate error by more than an order of magnitude for typical thermal atoms. Motion-insensitive pulses can be refined to compensate for laser inhomogeneities, enhancing the gate performance in practical situations. Our results are validated through simulations of one-qubit gates operating on the optical clock transition of ${}^{88}$Sr atoms trapped in an optical tweezers array.
• Abstract（参考訳）: 閉じ込められた原子量子コンピュータでは、トラップ内の原子の動きのために光量子ビットの高忠実度制御が困難である。 修正されない場合、原子の運動は2つの基本的なメカニズムを通して、自由度で絡み合わされる。 i) Photon recoil and (II) 熱運動はどちらもゲートの忠実度を低下させる。 我々は、駆動レーザ磁場の位相を時間的に調節することで、両源の不忠実さを抑制する動作不感パルスを開発する。 光子再コイルを除去するため,従来のパルスに比べてゲート長を約20倍短縮する時間最適制御を用いてバンバンパルスを$-$由来とする。 しかし, 光子再コイルを除去しても, ゲート誤差は消えるのではなく, 熱的動きによる絡み合いによって生じる境界によって制限されることがわかった。 顕著なことに、この境界はラビ周波数とは独立であり、光子リコイルとは異なり、解決されたサイドバンド状態の動作は、この不整合の源を緩和しない。 この境界を克服するために、典型的な熱原子に対して1桁以上の大きさでゲート誤差を低減できる滑らかな位相パルスを導出する。 動作に敏感なパルスは、レーザーの不均一性を補償するために洗練され、実用的な状況下でのゲート性能が向上する。 本結果は,光ツイーザアレイに閉じ込められた$$$}^{88}$Sr原子の光クロック遷移で動作する1量子ゲートのシミュレーションにより検証した。

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