論文の概要: High-fidelity collisional quantum gates with fermionic atoms

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2506.14711v1
• Date: Tue, 17 Jun 2025 16:50:08 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-06-18 17:34:59.583293
• Title: High-fidelity collisional quantum gates with fermionic atoms
• Title（参考訳）: フェルミオン原子を用いた高忠実衝突量子ゲート
• Authors: Petar Bojović, Timon Hilker, Si Wang, Johannes Obermeyer, Marnix Barendregt, Dorothee Tell, Thomas Chalopin, Philipp M. Preiss, Immanuel Bloch, Titus Franz,
• Abstract要約: フェルミオン量子コンピュータは電子構造問題を直接的に実装する可能性を秘めている。 光超格子中のフェルミオン原子の制御により, 衝突エンタングリングゲートが最大99.75(6)%, ベル状態の寿命が10,sを超えることを実証した。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.9185835982622453
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Quantum simulations of electronic structure and strongly correlated quantum phases are widely regarded as among the most promising applications of quantum computing. These simulations require the accurate implementation of motion and entanglement of fermionic particles. Instead of the commonly applied costly mapping to qubits, fermionic quantum computers offer the prospect of directly implementing electronic structure problems. Ultracold neutral atoms have emerged as a powerful platform for spin-based quantum computing, but quantum information can also be processed via the motion of bosonic or fermionic atoms offering a distinct advantage by intrinsically conserving crucial symmetries like electron number. Here we demonstrate collisional entangling gates with fidelities up to 99.75(6)% and lifetimes of Bell states beyond $10\,s$ via the control of fermionic atoms in an optical superlattice. Using quantum gas microscopy, we characterize both spin-exchange and pair-tunneling gates locally, and realize a robust, composite pair-exchange gate, a key building block for quantum chemistry simulations. Our results enable the preparation of complex quantum states and advanced readout protocols for a new class of scalable analog-digital hybrid quantum simulators. Once combined with local addressing, they mark a key step towards a fully digital fermionic quantum computer based on the controlled motion and entanglement of fermionic neutral atoms.
• Abstract（参考訳）: 電子構造と強い相関の量子相の量子シミュレーションは、量子コンピューティングの最も有望な応用の1つである。 これらのシミュレーションは、フェルミオン粒子の運動と絡み合いの正確な実装を必要とする。 量子ビットへのコストのかかるマッピングの代わりに、フェルミオン量子コンピュータは電子構造問題を直接実装する可能性を提供する。 極低温中性原子はスピンベースの量子コンピューティングの強力なプラットフォームとして登場したが、電子数のような重要な対称性を本質的に保存することで、ボゾン原子やフェルミオン原子の運動を通じて量子情報を処理することもできる。 ここでは、光超格子中のフェルミオン原子の制御により、99.75(6)%の忠実度とベル状態の寿命が10,sを超える衝突エンタングリングゲートを実証する。 量子ガス顕微鏡を用いて,スピン交換ゲートとペア交換ゲートの両方を局所的に特徴付け,量子化学シミュレーションの鍵となるロバストで複合的なペア交換ゲートを実現する。 本研究により,スケーラブルなアナログデジタルハイブリッド量子シミュレータの新たなクラスに対して,複雑な量子状態と高度な読み出しプロトコルの調製が可能となった。 局所アドレッシングと組み合わせると、フェルミオン中性原子の制御された動きと絡み合いに基づく完全なデジタルフェルミオン量子コンピュータへの重要なステップを示す。

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