論文の概要: High-Fidelity Individual Addressing of Single Atoms in Quantum Registers at Three-Photon Laser Excitation of Rydberg States

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2411.06607v1
• Date: Sun, 10 Nov 2024 21:57:01 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2024-11-12 14:07:54.754198
• Title: High-Fidelity Individual Addressing of Single Atoms in Quantum Registers at Three-Photon Laser Excitation of Rydberg States
• Title（参考訳）: Rydberg状態の3光子レーザー励起における量子レジスタにおける単一原子の高忠実な個別アドレス
• Authors: N. N. Bezuglov, I. I. Beterov, A. Cinins, K. Miculis, V. M. Entin, P. I. Betleni, G. Suliman, V. V. Gromyko, D. B. Tretyakov, E. A. Yakshina, I. I. Ryabtsev,
• Abstract要約: 2量子ビットの量子ゲートは通常、強い相互作用を持つリドベルク状態への原子のコヒーレントな2光子レーザー励起によって実現される。 Rydberg状態のコヒーレント3光子レーザー励起を用いることで、個別アドレッシングの忠実度を向上させることができることを示す。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
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• Abstract: Precise individual addressing of single atoms in quantum registers formed by optical trap arrays is essential to achieve high-fidelity quantum gates in neutral-atom quantum computers and simulators. Two-qubit quantum gates are typically realized using coherent two-photon laser excitation of atoms to strongly interacting Rydberg states. However, two-photon excitation encounters challenges in individual addressing with tightly focused laser beams due to atom position uncertainty and the spatial inhomogeneity in both Rabi frequencies and light shifts. In this work, we theoretically demonstrate that the fidelity of individual addressing can be improved by employing coherent three-photon laser excitation of Rydberg states. For a specific example of $5s_{1/2}\!\xrightarrow{\Omega_1}\!5p_{3/2}\!\xrightarrow{\Omega_2}\!6s_{1/2}\!\xrightarrow{\Omega_3}\!np$ excitation in $^{87}$Rb atoms, we find that upon strong laser coupling in the second step (Rabi frequency $\Omega_2$) and moderate coupling in the first and third steps (Rabi frequencies $\Omega_1$ and $\Omega_3$), the three-photon Rabi frequency is given by $\Omega \!=\!\Omega_1\Omega_3/\Omega_2$. If the spatial distributions of $(\Omega_1\Omega_3)$ and $\Omega_2$ are arranged to be identical, $\Omega$ becomes independent of atom position, even within very tightly focused laser beams. This approach dramatically improves individual addressing of Rydberg excitation for neighboring atoms in trap arrays compared to conventional two-photon excitation schemes. Our findings are crucial for large-scale quantum registers of neutral atoms, where distances between adjacent atoms should be minimized to ensure stronger Rydberg interactions and compact arrangement of atom arrays.
• Abstract（参考訳）: 光トラップアレイによって形成された量子レジスタにおける単一原子の高精度な個別アドレス化は、中性原子量子コンピュータやシミュレータにおいて高忠実な量子ゲートを実現するために不可欠である。 2量子ビットの量子ゲートは通常、強い相互作用を持つリドベルク状態への原子のコヒーレントな2光子レーザー励起によって実現される。 しかし、2光子励起は、原子位置の不確かさとラビ周波数と光シフトの両方における空間的不均一性により、密集したレーザービームで個別に対処する際の課題に遭遇する。 本研究では,Rydberg状態のコヒーレント3光子レーザー励起を用いることにより,個々のアドレッシングの忠実度を向上できることを理論的に示す。 5s_{1/2}\! \xrightarrow{\Omega_1}\! 5p_{3/2}\! \xrightarrow{\Omega_2}\! 6s_{1/2}\! \xrightarrow{\Omega_3}\! np$ excitation in $^{87}$Rb atoms, we found that on strong laser coupling in the second step (Rabi frequency $\Omega_2$) and moderate coupling in the first steps (Rabi frequency $\Omega_1$ and $\Omega_3$), the three-photon Rabi frequency is given by $\Omega \! =\! Omega_1\Omega_3/\Omega_2$ もし、$(\Omega_1\Omega_3)$と$\Omega_2$の空間分布が同一に配置されている場合、$\Omega$は、非常に密集したレーザービームでも原子位置から独立する。 このアプローチは、従来の2光子励起方式と比較して、トラップアレイ内の隣り合う原子に対するライドバーグ励起の個々のアドレッシングを劇的に改善する。 我々の発見は、隣り合う原子間の距離を最小化し、より強いリドベルク相互作用と原子配列のコンパクトな配置を保証するために、中性原子の大規模量子レジスターにとって不可欠である。

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