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。

这项研究将使用冷却的中性原子开发小型量子计算机。通过在最外壳中使用Ytterbium（Yb）原子，并利用1/2核自旋和2-电子rüdberg状态表现出171同位素，这是一种长期（相干时间）的小规模机器，可以保留很难从外部领域影响的量子机械性能。为此，在整个研究期间进行了以下研究：1）开发用于核自旋操作的光源。单个核自旋操作使用两个激光束（556 nm的过渡波长）使用拉曼过渡。使用第二次谐波生成（SHG）制造了556 nm的光源，该次谐波产生（SHG）来自外部空腔半导体激光输出，波长为1014 nm。核自旋之间的操作涉及将每个原子激发到rüdberg状态，并利用原子之间的偶极相互作用。 Rüdberg激发是通过亚稳态作为中间状态的两光子激发进行的。对亚稳态的激发波长为507 nm，rüdberg状态的激发波长为325 nm。 SHG对分别为1014 nm和650 nm波长的半导体激光器的输出进行了SHG，以获得实验所需的输出。 2）引入电离和电场校正的电极。为了抑制外部电场对雷德伯格州的影响，设计和制造和安装了用于校正残留电场的八极电极。高压在该电极上的应用可检测在ryudberg状态下的电离。已经证实，通过使用与上述1）不同的电流光源以及检测相同的电离来正确操作制造的电极。 3）YB原子阵列的构建。可以使用高功率激光器以532nm的高功率激光器来捕获单个YB原子。建立了一项技术，可以使用两个声学元素在二维晶格形状中制造多个光学镊子，并进行了一个实验，以捕获那里的一个YB原子。