Quantum gate operations with two-electron Rydberg atoms

双电子里德伯原子的量子门操作

基本信息

批准号：
20K03806
负责人：
武井宣幸
金额：
$ 2.75万
依托单位：
Kyoto University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2020
资助国家：
日本
起止时间：
2020-04-01 至 2021-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究では冷却中性原子を用いた小規模量子コンピュータの開発を行う。最外殻に2個の電子を持つイッテルビウム（Yb）原子を使用し、その171同位体が持つ1/2核スピンや特異な性質を示す2電子リュードベリ状態の活用によって、外場の影響を受け難く量子力学的性質を保持できる時間（コヒーレンス時間）の長い小規模マシンを開発する。この目的に向けて、研究期間を通じて以下の研究を行った。１）核スピン操作のための光源開発。単一核スピン操作には、2本のレーザー光を用いたラマン遷移を用いる（遷移波長は556nm）。波長1014nmの外部共振器半導体レーザー出力から第二次高調波発生（SHG）を用いて556nm光源を作製した。核スピン間の操作には、各原子をリュードベリ状態へと励起し、原子間の双極子相互作用を利用する。リュードベリ励起は中間状態として準安定状態を介した二光子励起で行う。準安定状態への励起波長は507nm、そこからリュードベリ状態への励起波長は325nmである。それぞれ波長1014nmと650nmの半導体レーザーの出力に対してSHGを行い、実験に必要となる出力を得た。２）イオン化および電場補正のための電極の導入。リュードベリ状態に対する外部電場の影響を抑制するため、残留電場補正用の八重極電極を設計・製作し、実験用真空槽内に設置した。この電極への高電圧の印加によって、リュードベリ状態のイオン化検出が可能となる。上記１）とは異なる現有の光源を使ってリュードベリ励起を行い、それをイオン化検出することで製作した電極が適切に動作することを確認した。３）Yb原子アレイの構築。波長532nmの高出力レーザーを用いた光ピンセット技術によって、単一のYb原子を捕捉することができる。2個の音響光学素子を用いて光ピンセットを2次元格子状に多数作製する技術を確立し、そこに単一Yb原子を捕捉する実験に着手した。

在这项研究中，我们将开发一种使用冷中性原子的小型量子计算机。通过使用最外层有两个电子的镱（Yb）原子，并利用其171同位素的1/2核自旋和表现出独特性质的双电子里德伯态，可以减少外部因素的影响。我们将开发一种具有长相干时间、能够保持量子力学特性的小型机器。为此，我们在整个研究期间进行了以下研究。 1）核自旋操纵光源的开发。使用两束激光的拉曼跃迁用于操纵单个核自旋（跃迁波长为 556 nm）。使用波长为 1014 nm 的外腔半导体激光器输出的二次谐波生成 (SHG) 制造了 556 nm 光源。为了操纵核自旋，每个原子都被激发到里德伯态，并利用原子之间的偶极相互作用。里德伯激发是通过亚稳态中间态通过双光子激发来进行的。亚稳态的激发波长为 507 nm，从亚稳态到里德伯态的激发波长为 325 nm。分别对波长为1014 nm和650 nm的半导体激光器的输出进行SHG，得到实验所需的输出。 2）引入电离和电场校正电极。为了抑制外部电场对里德伯态的影响，我们设计并制作了用于残余电场校正的八极电极，并将其安装在实验真空室中。通过向该电极施加高电压，可以实现里德伯态的电离检测。使用与上述1)中使用的不同的现有光源进行里德伯激发，并且通过检测电离，确认所制造的电极正常工作。 3）Yb原子阵列的构建。可以使用光镊技术使用波长为 532 nm 的高功率激光捕获单个 Yb 原子。我们建立了一种使用两个声光元件在二维晶格中制造大量光镊的技术，并开始了捕获单个 Yb 原子的实验。