論文の概要: Protected quantum gates using qubit doublons in dynamical optical lattices

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2507.22112v1
• Date: Tue, 29 Jul 2025 18:00:00 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-07-31 16:14:17.780586
• Title: Protected quantum gates using qubit doublons in dynamical optical lattices
• Title（参考訳）: 動的光学格子における量子ビットダビロンを用いた保護量子ゲート
• Authors: Yann Kiefer, Zijie Zhu, Lars Fischer, Samuel Jele, Marius Gächter, Giacomo Bisson, Konrad Viebahn, Tilman Esslinger,
• Abstract要約: 動的光学格子におけるフェルミオン原子のキュービット二重状態の過渡的に分布させることにより、純粋に幾何学的に2量子スワップゲートを示す。 これらの二重状態の存在とフェルミオン交換反対称性は、2粒子の量子ホロノミーを可能にする。 この研究は、量子論理学の新しいパラダイムを導入し、基本対称性と量子統計学をフォールトトレラント計算のための強力なリソースに変換する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.3387808070669509
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: Quantum computing represents a central challenge in modern science. Neutral atoms in optical lattices have emerged as a leading computing platform, with collisional gates offering a stable mechanism for quantum logic. However, previous experiments have treated ultracold collisions as a dynamically fine-tuned process, which obscures the underlying quantum- geometry and statistics crucial for realising intrinsically robust operations. Here, we propose and experimentally demonstrate a purely geometric two-qubit swap gate by transiently populating qubit doublon states of fermionic atoms in a dynamical optical lattice. The presence of these doublon states, together with fermionic exchange anti-symmetry, enables a two-particle quantum holonomy -- a geometric evolution where dynamical phases are absent. This yields a gate mechanism that is intrinsically protected against fluctuations and inhomogeneities of the confining potentials. The resilience of the gate is further reinforced by time-reversal and chiral symmetries of the Hamiltonian. We experimentally validate this exceptional protection, achieving a loss-corrected amplitude fidelity of $99.91(7)\%$ measured across the entire system consisting of more than $17'000$ atom pairs. When combined with recently developed topological pumping methods for atom transport, our results pave the way for large-scale, highly connected quantum processors. This work introduces a new paradigm for quantum logic, transforming fundamental symmetries and quantum statistics into a powerful resource for fault-tolerant computation.
• Abstract（参考訳）: 量子コンピューティングは現代科学における中心的な課題である。 光学格子中の中性原子は、衝突ゲートが量子論理の安定なメカニズムを提供する主要な計算プラットフォームとして出現している。 しかし、以前の実験では超低温衝突を動的に微調整されたプロセスとして扱い、量子幾何学と統計学は本質的に頑健な操作を実現するのに不可欠である。 そこで本研究では,フェルミオン原子の量子双極子状態を動的光学格子内に過渡的に分布させることにより,純粋に幾何学的に2ビットスワップゲートを実験的に提案する。 これらの二重状態の存在は、フェルミオン交換反対称性とともに、2粒子の量子ホロノミー(動的相が欠如する幾何学的進化)を可能にしている。 これにより、閉包ポテンシャルの揺らぎや不均一性に対して本質的に保護されるゲート機構が得られる。 ゲートのレジリエンスは、ハミルトンの時間反転とカイラル対称性によってさらに強化されている。 我々はこの例外的保護を実験的に検証し,17万ドル以上の原子対からなるシステム全体での損失補正振幅忠実度99.91(7%)を達成した。 最近開発された原子輸送のためのトポロジカルポンプ法と組み合わせることで、我々は大規模で高連結な量子プロセッサの道を開いた。 この研究は、量子論理学の新しいパラダイムを導入し、基本対称性と量子統計学をフォールトトレラント計算のための強力なリソースに変換する。

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