基于里德堡阻塞的异核两原子纠缠的实现

Compared with other candidates for quantum simulating and quantum computing, neutral atom system possesses the advantages of scalability. In a large scale of single-atom array, detecting one of the atomic qubits in the array with existing methods will cause unwanted errors to the neighboring qubits. To solve this problem, I. I. Beterov and M. Saffman proposed to detect an auxiliary atomic qubit which is entangled to the target atomic qubit in the array, and the auxiliary qubit is made of a different species. Until now, an entanglement between two neutral atoms of different species has not been realized. In this project, we are going to create an entanglement of a single Rb-85 atom and a single Rb-87 atom using Rydberg blockade. Based on our previous work of manipulating heteronuclear single-atoms of Rb-85 and Rb-87, firstly, we will realize heteronuclear Rydberg blockade by coherently exciting single atom from ground state to 79D Rydberg state. Then, together with Raman transitions between two hyperfine ground state, we will prepare single Rb-85 atom as the control qubit and single Rb-87 atom as the target qubit to realize the C-NOT gate of the two isotopes and the heteronuclear entanglement. This project aims at solving the detecting problem in a large scale of single atom array, and this work will have more applications in quantum simulation, quantum error correction and quantum metrology.

相对于量子模拟和量子计算的其他候选体系，中性原子体系的优势之一是易于实现规模化的扩展。在大规模的中性单原子阵列中，现有的量子态探测方法对阵列中单原子量子态的测量会影响邻近的原子量子态。针对这一问题，I. I. Beterov等人提出了用不同种类的单原子作为辅助比特，与阵列中的待测原子比特进行纠缠，然后对辅助原子进行测量的解决方案。但纠缠两个不同种类的单原子的实验目前尚未实现。本项目基于申请人前期在异核铷-85和铷-87单原子操控方面的工作，拟将单个铷-85原子作为控制比特，单个铷-87原子作为目标比特，利用异核两原子间的里德堡阻塞，结合基态相干操控技术和里德堡态相干激发技术，实现铷-85和铷-87两个异核原子的受控非门和确定性纠缠。本项目的顺利实施不仅可用于解决中性原子大规模阵列中量子态的读出问题，在量子模拟、量子纠错、量子精密测量等方面也有重要的应用。

相对于量子模拟和量子计算的其他候选体系，中性原子体系的优势之一是易于实现规模化的扩展。在大规模的中性单原子阵列中，现有的量子态探测方法对阵列中单原子量子态的测量会影响邻近的原子量子态。针对这一问题，I. I. Beterov等人提出了用不同种类的单原子作为辅助比特，与阵列中的待测原子比特进行纠缠，然后对辅助原子进行测量的解决方案。但其中最关键的实验——实现两个不同种类的单原子的量子纠缠并未实现。.在本项目的资助下，我们利用前期铷-85和铷-87单原子囚禁的基础，先采用双光子激发，实现了单个原子以95%以上的效率相干激发到79D的里德堡态上。然后在间距为3.8μm的一个铷-87原子和一个铷-85原子间首次实现了异核里德堡阻塞，阻塞效率达到97%。基于异核里德堡阻塞，我们在实验上采用铷-87原子的两个基态分别作为控制比特的0和1态，目标比特则采用铷-85原子的两个基态，采用H-Cz操作实现了异核量子受控非门，其保真度达到0.73(1)。基于该受控非门，我们进一步实现了异核两原子的量子纠缠，纠缠的保真度达到0.59(3)，超过纠缠的判定阈值，在国际上首次实现了异核两原子的量子纠缠。.相关工作整理发表在Phys. Rev. Lett. 119, 160502 (2017)，该工作不仅迈出了异核单原子量子模拟和量子计算的第一步，而且也为解决操作和探测时串扰问题、实现无损探测、双组分多自旋体系量子模拟提供了新的解决方案。该工作发表后得到了国内外同行专家的广泛关注和认可，目前已被引49次，其中哈佛大学M. D. Lukin教授在高保真度原子纠缠的工作中[Phys. Rev. Lett. 121, 123603(2018)]引用并列为中性原子快速两比特量子逻辑门的代表性工作之一。