Рідбергівська Блокада в Атомній Матриці

Чому атоми Рідберга так сильно взаємодіють

Міцність взаємодії між двома атомами Рідберга, розділеними відстанню R, на типових експериментальних відстанях кількох мікрометрів, визначається ван-дер-ваальсовою взаємодією, яка масштабується як C6/R^6, де коефіцієнт C6 сам по собі зростає надзвичайно швидко з головним квантовим числом, зазвичай масштабуючись приблизно як n^11. Це крутий масштаб виникає через те, що відповідні матричні елементи переходу діполя між сусідніми станами Рідберга масштабуються як n^2, а коефіцієнт ван-дер-ваальса залежить від квадрата цих матричних елементів діполя поділених на енергетичну щілину між парою стану та поблизькими станами, що з’єднані діпольною взаємодією, також масштабується несприятливо з n. Як наслідок, взаємодії атома Рідберга з атомом Рідберга на мікрометрових відстанях, які легко досягаються за допомогою оптичних кришок, можуть досягати мегагерцових енергетичних змін, значно більших, ніж порівняно незначні взаємодії між атомами основного стану на тій же відстані, які визначаються набагато слабшими короткими контактними взаємодіями. Оскільки C6 так чутко залежить від обраного головного квантового числа, дослідники можуть вибрати цільовий стан Рідберга для встановлення бажаної міцності взаємодії в багатьох порядках величини, від пар станів із помірною та контрольованою взаємодією до пар станів, які були спроектовані біля резонансу Форстера, де взаємодія може бути резонансно підсилена далеко за межами загального масштабування ван-дер-ваальса. На дуже коротких міжатомних відстанях або для певних пар станів Рідберга з сильною майже резонансною діпольно-діпольною взаємодією з іншою парою станів, взаємодія може перейти від ізотропної 1/R^6 ван-дер-ваальсової форми до анізотропної 1/R^3 резонантної діпольно-діпольної форми, сила та навіть знак якої залежать від відносної орієнтації міжатомного осі по відношенню до будь-якого застосованого квантування поля, надаючи дослідникам додатковий геометричний важіль для проектування ландшафту взаємодії масиву атомів за межами просто зміни відстані між атомами.

Механізм блокування та радіус блокування

Розглянемо два атоми, обидва під дією лазера, який резонує з переходом від стану землі до рендгенівського у ізольованого атома. Якби атоми були повністю некорелюючими, резонандна умова дозволила б обом атомам незалежно бути піднятими в екзотичний стан, створюючи пару подвоєно-підвищених рендгенівських станів. Ван-дер-Ваальсова взаємодія зміщує енергію цього конкретного подвоєно-підвищеного стану на величину ΔE = C6/R^6 відносно одно-підвищених станів, і коли це зміщення перевищує ефективну ширину лінії процесу збудження (приблизно частоту Рабі Ω), то подвоєно-підвищений стан відштовхується занадто далеко від резонансу для ефективного заселення лазером. Радіус блокування, визначений умовою C6/R_b^6 ≈ ℏΩ, позначає характерну відстань, в межах якої пригнічується подвоєне збудження; атоми, розділені на відстань меншу за R_b, поводяться як єдина колективна двовимірна система з лише одним спільним квантом збудження, тоді як атоми, розділені на відстань більшу за R_b, практично незалежно піддаються збудженню. В межах радіусу блокування, а не кожен атом окремо проходить Рабі-осциляції між станом землі та рендгенівським станом, весь кластер з N заблокованих атомів колективно коливається між повністю-земним станом і єдиним симетричним суперпозиційним станом, в якому лише один атом підігрітий, об'єднано узгоджено на всіх N атомів; оскільки ця колективна взаємодія з лазером посилена множником √N відносно одно-атомної взаємодії, колективна частота Рабі масштабується як √N Ω, що є безпосереднім вимірюваним сигнатурою фізики блокування, яка була підтверджена в численних експериментах з пари атомів та невеликих кластерах. Це посилення √N є прямим багатьохчастинковим аналогом посилення суперрадіантної взаємодії, яке знайоме з квантовою електродинамікою у вакуумі, і означає, що повністю заблокований кластер досягає свого максимально вирівняного колективного стану швидше, ніж це зробив би окремий ізольований атом, ефект, який було безпосередньо використано для прискорення певних протоколів підготовки квантових станів та також встановлює фундаментальні межі швидкості, з якою можна виконувати високоякісні операції заплутування в межах заданого заблокованого кластера.

Оптичні крижаркові масиви та адресація окремих атомів

Експериментальна платформа, яка перетворила блокування Рідберга з лабораторної дивовижки на провідну квантову архітектуру обчислень – це оптичний крижарковий масив, який був розроблений групами під керівництвом Броваєва, Лукіна та Саффмана. Окремі нейтральні атоми, зазвичай рубідій або ціссій, утримуються поодинці в зосередженому промені червоного лазера, а за допомогою програмованих світлових модулятораів простору або акустооптичних дефлекторів дослідники створюють сотні незалежно переміщуваних крижаркових мас, розташованих у вигляді більш-менш випадкових багатовимірних структур – одно-, дво- чи тривимірних. Потім за допомогою зображення в реальному часі та зворотного зв’язку початково випадково розміщені атоми переносяться в структури з дефектів, що не містять дефектів. Кожен утриманий атом служить кубітом, як правило, закодованим у двох довготривалих основних гіперфінальних станах, а перехід з основного стану на Рідберга використовується лише тимчасово для посередництва операцій об’єднання перед поверненням атомів до їхніх стабільних кубітів. Оскільки положення крижарків можуть бути безкоштовно запрограмовані, відстань між атомами, а отже й радіус блокування відносно фізичної відстані, можна точно налаштувати по одному парі атомів, дозволяючи дослідникам селективно блокувати певні сусідні пари, залишаючи інші далекі атоми ефективно незалежними – рівень геометричного контролю, який значно гнучкіший, ніж фіксоване відстань решітки, яке доступне в інших платформах холодної атомної фізики, таких як оптичні мізки. Оскільки атоми завантажуються стихійно з магнетооптичної пастки в крижаркові масири, початкове заповнення зазвичай становить лише приблизно половину доступних крижарків випадково; крок перерозподілу в реальному часі, коли зайняті атоми переміщуються шляхом динамічного програмування положень крижарків для заповнення порожніх цільових місць, став необхідною та тепер звичайним методом складання великих структур без дефектів, і саме ця можливість перерозподілу, розроблена кількома групами близько 2016 року, дозволила масштабування від невеликих демонстрацій концепції до програмованих масивів сотень атомів, які використовуються в поточних квантових процесорах нейтральних атомів.

Блокування на основі заплутування воріт і аналогове квантове моделювання

Механізм блокування Резерфордівського збудження безпосередньо забезпечує високоточні двобітові воріта заплутування між нейтральними атомами кубітів, особливо через протоколи, такі як воріт контрольованої фази Якс-Золлер і його удосконалені варіанти, розроблені Левіном, Піхлером, Лукіном та іншими, в яких контрольний атом приводиться до Резерфордського стану, блокуючи отримання цільовим атомом тієї ж фази, залежної від збудження, якщо контрольний атом залишається у своєму не-Резерфордському кубітному стані, таким чином реалізуючи заплутування воріт контрольованої фази між двома кубітами в основному стані з точністю, яка поступово покращувалася до 99% у нещодавніх демонстраціях. Крім дискретних воріт на основі воріт, масиви заблокованих Резерфордських атомів реалізують природний аналоговий квантовий симулятор для моделі PXP, подібної до Ізинга, що є парадигматичною системою для вивчення квантової динаміки багатьох тіл, оскільки обмеження блокування (жоден сусідній атом одночасно не збуджений) математично еквівалентне жорсткому локальному обмеженню, яке знайоме з моделями обмежених решіток. Ця платформа дозволила знаковим спостереженням Бернієна та співавторам у 2017 році квантових шрамів — аномально тривалих, слабко теплових коливань, які виникають для певних початкових станів у багатьох тілах, що взаємодіють сильніше, але тепловізаються, відкривши нову підгалузь дослідження меж між еродичною та не-еродичною квантовою динамікою за допомогою програмованих масивів атомів Резерфордського збудження. Крім моделі PXP та квантових шрамів, заблоковані масиви атомів Резерфордського збудження використовувалися для моделювання широкого спектру квантових моделей спінів за налаштуванням лазерної розбіжності та діапазону взаємодії, включаючи дослідження квантових фаз переходів у упорядковані кристалічні розташування збуджень, кандидатів топологічного спінного рідини на спеціально сконструйованих геометріях решіток, таких як решітка Кагоме та комбінаторних оптимізаційних задач, відображених у задачу максимального незалежного множинного на графі, що демонструє, як обмеження блокування, яке дозволяє квантові воріта, також забезпечує універсальний інструментарій для інженерії гамільтоніана для аналогового квантового моделювання.

Заборона, полегшення та картина за межами простої заборони

Хоча проста картина заборони, яка придушує всі подвоєні збудження в R_b, є домінуючим режимом, який використовується для квантових обчислень, фізика взаємодії резунів Рідберга стає значно багатшою, коли враховують відхилення, розсіювання та багаточастинкові ефекти. Відхилення лазерного імпульсу від резонансу окремого атома на величину, що відповідає зміні енергії, спричиненій взаємодією, на певній відстані, створює протилежний ефект, який називається антизабороною або полегшенням, де присутність одного збудженого резуна фактично приводить сусідній атом на певний рівень відстані в резонанс, сприяючи, а не придушуючи подальше збудження та дозволяючи контрольований розвиток збудливих кластерів або полегшений ріст через решітку. У щільних, розширених атомних ансамблях за межами режиму кількох збуджених частинок взаємодія багатьох перекриваючих сфер заборони, відхилення лазерного імпульсу від резонансу та розсіювання від спонтанної емісії короткоживучого збудженого стану створюють різноманітні колективні нерівноважні фази, включаючи кристалічні укладення збуджень із регулярним інтервалом, встановленим радіусом заборони, явище, яке безпосередньо спостерігається за допомогою флуоресцентного зображення, що вирішує окремі атоми, в одномірних і двовимірних мікроскопічних кліщах та вражаюча демонстрація простору реальності того, як правило квантова взаємодія може забезпечити виникнення просторового порядку у багаточастинковому системі. Розсіювання через кінцевий розпадний період збудженого стану та від лазерного фазового шуму залишається основним практичним обмеженням для протоколів на основі заборони, оскільки будь-яке спонтанне вимирання під час операції воріт проектує закодовану квантову інформацію з призначеного обчислювального простору; останнім часом було значне наукове зусилля, спрямоване на використання вищих збуджених станів із довшим ефективним періодом життя, криогенних середовищ для придушення перенесення стану, спричиненого чорновими випромінюванням, та покращеної стабілізації лазера для того, щоб полегшення воріт на основі заборони досягло рівнів, необхідних для практичних, стійких до помилок квантових обчислень.

Часті запитання

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Rydberg Blockade in an Atom Array і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.