論文の概要: Non-paraxial effects on laser-qubit operations

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2502.19345v2
• Date: Thu, 24 Jul 2025 09:47:59 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-07-25 17:20:51.522935
• Title: Non-paraxial effects on laser-qubit operations
• Title（参考訳）: レーザー量子ビット演算における非パラ軸効果
• Authors: L. P. H. Gallagher, M. Mazzanti, Z. E. D. Ackerman, A. Safavi-Naini, R. Gerritsma, R. J. C. Spreeuw,
• Abstract要約: 我々は、次世代のスケーラブル量子ハードウェアにおいて、非パラ軸効果がどのように現れるかを定量化する分析モデルを開発した。 解析モデルと数値シミュレーションにより,この効果により単一および2量子ゲートの不確かさを特徴づける。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: Tightly-focused laser beams, or optical tweezers, are essential for analogue and digital quantum simulation with neutral atoms and trapped ions. Despite this, most of the current intuition and theoretical treatment utilizes the paraxial approximation, which breaks down at the focus of optical tweezers. We develop an analytic model, which we use in tandem with numerical simulations, to quantify how non-paraxial effects will manifest in the next-generation of scalable quantum hardware, where tightly focused beams are used for individual qubit control. In particular, we calculate the light potentials of Gaussian and Laguerre-Gaussian beams driving the quadrupole $^2$S$_{1/2}\rightarrow$ $^2$D$_{5/2}$ transition in $^{40}$Ca$^+$. Longitudinal field components in the beam center cause spatially-dependent Rabi frequencies and AC Stark shifts, leading to unexpected qubit-motion coupling. We characterize single- and two-qubit gate infidelities due to this effect with an analytic model and numerical simulation. We identify regimes where non-paraxial effects should be taken into account for high-precision quantum control. Finally, we highlight that non-paraxial effects are potentially more severe in the case of neutral atom and molecule addressing.
• Abstract（参考訳）: 光学的ツイーザ(英: optical tweezer)は、中性原子と閉じ込められたイオンによるアナログおよびデジタル量子シミュレーションに不可欠である。 それにもかかわらず、現在の直観と理論的な処理のほとんどは、光学的ツイーザーの焦点で分解される準軸近似を利用している。 我々は, 量子ハードウェアの次世代において, 非パロキシャル効果がどのように現れるか, 個々の量子ビット制御に強く焦点を絞ったビームを用いて定量化するために, 数値シミュレーションと組み合わせた解析モデルを開発した。 特に、四重極 $^2$S$_{1/2}\rightarrow$$^2$D$_{5/2}$ transition in $^{40}$Ca$^+$ を駆動するガウスとラゲール・ガウスの光ポテンシャルを計算する。 ビーム中心の縦方向の磁場成分は空間依存性のラビ周波数と交流スタークシフトを引き起こし、予期せぬクビット運動結合を引き起こす。 解析モデルと数値シミュレーションにより,この効果により単一および2量子ゲートの不確かさを特徴づける。 我々は、高精度な量子制御のために非パラ軸効果を考慮すべきレギュレーションを同定する。 最後に、中性原子や分子アドレッシングの場合、非パキシャル効果はより深刻な可能性があることを強調する。

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