Rydberg Blockade in an Atom Array

Dlaczego atomy rybdyga oddziałują tak silnie

Siła oddziaływania między dwoma atomami rybdyga oddzielonymi na odległość R jest zdominowana, przy typowych rozdzieleniach eksperymentalnych kilku mikrometrów, przez interakcję van der Waalsa, która skaluje się jako C6/R^6, gdzie współczynnik C6 sam w sobie rośnie niezwykle szybko wraz z liczbą kwantową główną, zwykle skalując się mniej więcej jak n^11. Skrajne skalowanie to wynika z faktu, że elementy macierzy dipolowej przejścia między sąsiednimi stanami rybdyga skalują się jako n^2, a współczynnik van der Waalsa zależy od kwadratu tych elementów macierzy dipolowej oraz od stosunku energii defektu między parą stanu i pobliskimi stanami sprzężonymi z dipolem, które również niekorzystnie skalują się wraz z n. Konsekwencją praktyczna jest to, że interakcje rybdyga-rybdyga na rozdzieleniach w skali mikrometrów, łatwo osiągalnych za pomocą układów optycznych klepsydr, mogą osiągać energie w skali megacyzłów, znacznie większe niż porównywalnie niewielkie interakcje między atomami stanu podstawowego na tej samej odległości, które są zdominowane przez znacznie słabsze, krótkodystansowe interakcje kontaktowe, które również skalują się niekorzystnie. Ponieważ C6 jest tak wrażliwe na wybrany indeks kwantowy główny, eksperymentatorzy mogą wybrać docelowy stan rybdyga, aby dostosować siłę oddziaływania w wielu rzędach wielkości, od par stanów o umiarkowanych, kontrolowanych interakcjach do par stanów zaprojektowanych blisko rezonansu Forstera, gdzie interakcja może być wzmocniona rezonansowo znacznie ponad ogólne skalowanie van der Waalsa. Przy bardzo krótkich rozdzieleniach atomowych lub dla niektórych par stanów rybdyga z silnym, prawie rezonanowym sprzężeniem dipol-dipol między parą stanu a inną parą stanu, interakcja może przejść z izotropicznej formy 1/R^6 van der Waalsa w anizotropijną formę 1/R^3 rezonansowego sprzężenia dipol-dipol, której siła i nawet znak zależą od względnego ułożenia osi atomowej względem jakiegokolwiek stosowanego pola kwantyzacji, dając eksperymentatorom dodatkowy dźwignię geometryczną do zaprojektowania krajobrazu interakcji układu atomów poza jedynie zmianą odstępu między atomami.

Mechanizm blokady i promień blokady

Rozważmy dwie atomy, obie poddane działaniu lasera rezonującego z przejściem od stanu podstawowego do stanu Rycera u pojedynczego atomu. Gdyby atomy nie oddziaływały ze sobą, warunek rezonansowy pozwoliłby obu atomom niezależnie zostać wzbudzonym, produkując stan podwójnie wzbudzony w układzie rycergowym. Wpływ sił van der Waalsa przesunięty energię tego konkretnego stanu podwójnie wzbudzonego o wartość ΔE = C6/R^6 w stosunku do stanów pojedynczych, a gdy ten przesunięcie przekroczy efektywny szerokość pasma (około częstotliwość Rabi Ω lasera), stan podwójnie wzbudzony zostanie wypchnięty zbyt daleko poza rezonans, aby laser skutecznie go poprawnał. Promień blokady, zdefiniowany przez warunek C6/R_b^6 ≈ ℏΩ, oznaczuje charakterystyczną odległość, w obrębie której podwójne wzbudzenie jest tłumione; atomy oddzielone na dystans mniejszym niż R_b zachowują się jak pojedynczy zbiorowy układ dwu poziomów z jednym współdzielonym kwantem wzbudzenia, podczas gdy atomy oddzielone na dystans większym niż R_b są wzbudzane zasadniczo niezależnie. W obrębie promienia blokady, zamiast każdego atomu niezależnie przechodzić przez oscylacje Rabi między stanem podstawowym a stanem rycerzem, cały zespół N zablokowanych atomów zbiorczo oscyluje pomiędzy stanem całkowicie podstawowym i pojedynczym symetrycznym stanem superpozycji, w którym wzbudzony jest dokładnie jeden atom, współdzielony koherentnie we wszystkich N atomach; ponieważ ten zbiorczy sprzężenie z laserem jest wzmocniony przez czynnik √N w stosunku do sprzężenia pojedynczego atomu, częstotliwość Rabi zbiorcza skaluje się jako √N Ω, co stanowi bezpośrednią sygnaturę blokady, która została potwierdzona w licznych eksperymentach z parami atomów i małymi grupami atomów. To wzmocnienie √N jest bezpośrednim analogiem wielu-ciałowym do wzmocnienia superradiacyjnego znanego w mechanice kwantowej elektromagnetycznej w rezonansowych przestrzeniach, a to oznacza, że ​​w pełni zablokowany zespół osiąga swój maksymalnie wyższy zbiorowy stan wzbudzony szybciej niż pojedynczy atom, co stanowi fundamentalne ograniczenie prędkości, z jakim można wykonać wysokowydajne operacje przygotowania stanu w celu zawartych w danym zablokowanym zestawie.

Układy laserowe z użyciem klepsydr i adresowanie pojedynczych atomów

Platforma eksperymentalna, która przyczyniła się do tego, że blokada Rydbera przeszła z ciekawostki laboratoryjnej na wiodącą architekturę obliczeń kwantowych, to układy laserowe z klepsydrami, które zostały opracowane przez zespoły prowadzone m.in. przez Browaeys’a, Lukina i Saffmana. Pojedyncze, neutralne atomy, najczęściej rubidiumu lub cesju, są łapane pojedynczo w skupieniu czerwonego lasera o zmienionej częstotliwości i dzięki programowalnym modulatorom światła przestrzennego lub dyfuzorom akusto-optycznym, badacze tworzą setki niezależnie ruchomych klepsydr ułożonych w zasadniczo arbitralnych geometriach jednowymiarowych, dwuwymiarowych i trójwymiarowych. Następnie, wykorzystując obrazowanie w czasie rzeczywistym i sprzężenie zwrotne, badacze przekształcają początkowo losowo załadowane atomy w celu uzyskania uporządkowanych struktur docelowych bez defektów. Każdy uwięziony atom służy jako kubit, zwykle kodowany w dwóch długotrwałych stanach hiperfine podściół, a przejście z podściółu do stanu Rydbera jest wykorzystywane jedynie tymczasowo, aby mediować operacje wiązania przed powrotem atomów do ich stabilnych stanów kubitowych. Ponieważ pozycje klepsydr są swobodnie programowalne, odległości międzyatomowe, a w konsekwencji promień blokady względny do fizycznego oddzielenia, mogą być precyzyjnie zaprojektowane atom po atomie, umożliwiając badaczom selektywne blokowanie konkretnych sąsiednich par, pozostawiając jednocześnie atomy bardziej oddalone w zasadzie niezależne. Poziom kontroli geometrycznej jest znacznie bardziej elastyczny niż stała rozpiętość komórek dostępna na innych platformach zimnego atomu, takich jak siatki optyczne. Atomy są ładowane stochastycznie z pułapki magneto-optycznej do miejsc klepsydr, a początkowe ładowanie wypełnia zwykle tylko około połowy dostępnych klepsydr losowo; etap przekształcania w czasie rzeczywistym, w którym zajęte atomy są przesuwane poprzez dynamiczne reprogramowanie pozycji klepsydr w celu zapełnienia pustych miejsc docelowych, stał się niezbędną i obecnie rutynową techniką do tworzenia dużych struktur bez defektów, a to przekształcenie, opracowane przez kilka zespołów około roku 2016, umożliwiło skalowanie od małych demonstracji zasadniczych dowodów po programowalne układy z setkami atomów używanych w obecnych generacjach neutralnych procesorów kwantowych.

Brány oparte na blokadzie i symulacje kwantowe wielu ciał

Mechanizm blokady Rydbérica bezpośrednio umożliwia wysokiej jakości bramki entanglingowe dwu-kwantowe między atomami neutralnymi jako kubitami, przede wszystkim poprzez protokoły takie jak bramka fazowa Jakscha-Zollera i jej udoskonalone warianty opracowane przez Levine'a, Pichlera, Lukina i ich współpracowników, w których atom kontrolny jest napędzany do stanu Rydbérica, blokując dostęp celu do uzyskania tej samej fazy zależnej od stymulacji, chyba że atom kontrolny pozostałby w swoim stanie kubitowym nie-Rydbérica, co realizuje w ten sposób operację entanglingową fazową sterowaną między dwoma kubitami stanem podstawowym z dokładnością, która w ostatnich demonstracjach stopniowo przekroczyła 99%.

Poza dyskretnymi bramkami oparte na blokadzie, tablice wielu zablokowanych atomów Rydbérica realizują naturalnego symulatora kwantowego analogowego dla modelu PXP przypominającego Isinga, paradigmatycznego systemu do badania dynamiki wielu ciał kwantowych, ponieważ ograniczenie blokady (żaden dwa sąsiednie atomy nie mogą być jednocześnie wzbudzone) jest matematycznie równoważne twardemu lokalnemu ograniczeniu znanemu z modeli z gęstą siecią. Ta platforma umożliwiła przełomową obserwację 2017 roku Berniena et al. kwantowych wielu-ciałowych skaz, anomaliwnie długotrwałych, słabo termicznych oscylacji występujących dla określonych stanów początkowych w innym systemie wielu ciał silnie oddziałującym i termizującym, odkrycie to otworzyło zupełnie nowy poddziedzinę badawczą eksplorującą granicę między ergodiczną a nie-ergodiczną dynamiką kwantową przy użyciu programowalnych tablic atomów Rydbérica. Poza modelem PXP i skazami kwantowymi, tablice zablokowanych atomów Rydbérica odtąd były wykorzystywane do symulacji szerokiego zakresu modeli kwantowych spinowych poprzez strojenie detekcji lasera i zasięgu oddziaływania, w tym badań przejść fazowych kwantowych w uporządkowane ułożenia krystaliczne wyzwalaczy, kandydatów na płynne magnetyczne topologiczne na specjalnie zaprojektowanych geometriach siatki, takich jak siatka Kagame oraz problemów optymalizacji kombinatorycznej mapowanych na problem maksymalnego zbioru niezależnych elementów na grafie, ilustrując w ten sposób, że to samo ograniczenie blokady umożliwiające bramki logiczne kwantowe zapewnia również wszechstronny zestaw narzędzi do inżynierii hamiltonowskiej dla symulacji analogowych kwantowych.

Antyblokada, ułatwianie i wyjście poza prostą wizję blokady

Choć dominującym modelem jest prosta wizja blokady tłumiącej wszystkie podwójne wzbudzenia w R_b, wykorzystywana w obliczeniach kwantowych, fizyka oddziałujących zespołów rydwanowych staje się znacznie bogatsza, gdy uwzględnia się detuning, dyfuzję i efekty wielu ciał. Detuning lasera sterującego z dala od rezonansu pojedynczego atomu o wartość odpowiadającą przesunięciu energii indukowanemu oddziaływaniem w danym rozstawie powoduje efekt odwrotny, zwany antyblokadą lub ułatwianiem, w którym obecność jednego wzbudzenia rydwanego sprawia, że sąsiadujący atom w określonym odległości staje się rezonansowy, promując a nie tłumiąc dalsze wzbudzenia i umożliwiając kontrolowane lawiny wzbudzeń lub ułatwiony wzrost klastrów wzbudzeń przez siatkę. W gęstych, rozszerzonych zespołach atomowych poza obszarem kilkuatomowej blokady, oddziaływanie wielu nakładających się sfer blokad, detuning lasera i dyfuzja z powodu spontanicznego wygaszania krótkotrwałego stanu rydwanowego generuje bogaty rodzaj kolektywnych faz nielrownych, w tym krystaliczne ułożenia wzbudzeń z regularnymi odstępami ustalonymi przez promień blokady, zjawisko bezpośrednio obserwowane za pomocą obrazowania fluorescencyjnego rozstrzygniętego atom po atomie w układach tweezerów jednowymiarowych i dwuwymiarowych oraz imponujące wizualne pokazanie przestrzenne, jak czysto kwantowe prawo oddziaływania może wymuszać emergentny porządek przestrzenny w wielu-ciałowym systemie. Dyfuzja z powodu skończonej żywotności radiacyjnej stanu rydwanego i z powodu szumu fazowego lasera pozostaje jednym z głównych praktycznych ograniczeń protokołów opartych na blokadzie, ponieważ każde spontaniczne wygaszanie podczas operacji bramki projektuje zakodowaną informację kwantową poza zamierzone podprzestrzeń obliczeniową; dlatego też ostatnie eksperymentalne wysiłki skoncentrowane są na wykorzystywaniu wyższych stanów rydwanowych o dłuższej skutecznej żywotności, środowiskach kriogenicznych w celu tłumienia transferu stanu indukowanego promieniowaniem ciała czarnego oraz ulepszonym stabilizacji lasera, aby zbliżyć się do poziomów wymaganych dla praktycznego, odpornego na błędy obliczeń kwantowych.

Często zadawane pytania

Wypróbuj na żywo

Wszystko powyżej działa bezpośrednio w Twojej przeglądarce — otwórz Rydberg Blockade in an Atom Array i zmieniaj parametry podczas działania. Nic nie jest instalowane ani przesyłane na serwer, cały model działa w jednej karcie.