Skalierbares Spin-Squeezing in einem dipolaren Rydberg-Atom-Array

Natur (2023)Diesen Artikel zitieren

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Das Standardquantenlimit begrenzt die Genauigkeit von Messungen, die mit Ensembles unkorrelierter Teilchen erreicht werden können. Diese Grenze ergibt sich im Wesentlichen aus der nicht kommutierenden Natur der Quantenmechanik, die zum Vorhandensein von Fluktuationen führt, die oft als Quantenprojektionsrauschen bezeichnet werden. Die Quantenmetrologie beruht auf der Nutzung nichtklassischer Zustände von Vielteilchensystemen, um die Präzision von Messungen über die Standardquantengrenze hinaus zu verbessern1,2. Um dies zu erreichen, kann man das Quantenprojektionsrauschen umformen – eine Strategie, die als Squeezing3,4 bekannt ist. Im Kontext von Vielkörper-Spinsystemen nutzt man typischerweise All-to-All-Wechselwirkungen (z. B. das einachsige Verdrehungsmodell4) zwischen den Bestandteilen, um die strukturierte Verschränkung zu erzeugen, die für Spin-Squeezing5 charakteristisch ist. Hier untersuchen wir die durch aktuelle theoretische Arbeiten6,7,8,9,10 motivierte Vorhersage, dass Wechselwirkungen mit kurzer Reichweite – und insbesondere das zweidimensionale dipolare XY-Modell – auch die Realisierung einer skalierbaren Spinquetschung ermöglichen können. Mithilfe eines dipolaren Rydberg-Quantensimulators mit bis zu N = 100 Atomen zeigen wir, dass die Löschdynamik von einem polarisierten Anfangszustand zu einer Spinquetschung führt, die sich mit zunehmender Systemgröße bis zu einem Maximum von −3,5 ± 0,3 dB verbessert (vor der Korrektur für die Detektion). Fehler oder ungefähr −5 ± 0,3 dB nach der Korrektur). Abschließend stellen wir zwei unabhängige Verfeinerungen vor: Erstens können wir durch die Verwendung eines mehrstufigen Spin-Squeezing-Protokolls die Kompression um etwa 1 dB weiter verbessern, und zweitens demonstrieren wir durch die Nutzung der Floquet-Technik zur Realisierung von Heisenberg-Wechselwirkungen die Fähigkeit, die Lebensdauer zu verlängern gequetschten Zustand durch Einfrieren seiner Dynamik.

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Wir bedanken uns für die Erkenntnisse und Diskussionen mit MP Zaletel, B. Halperin, B. Roberts, C. Laumann, E. Davis, S. Chern, W. Wu, Z. Wang, A.-M. Rey, F. Yang und Q. Liu. Diese Arbeit wird von der Agence Nationale de la Recherche (ANR, Projekt-Nr. RYBOTIN und ANR-22-PETQ-0004 France 2030, Projekt-Nr. QuBitAF) und dem Europäischen Forschungsrat (Advanced Grant Nr. 101018511-ATARAXIA) unterstützt. BY dankt für die Unterstützung durch das AFOSR MURI-Programm (Fördernummer W911NF-20-1-0136). M. Block dankt dem Verteidigungsministerium für die Unterstützung durch das National Defense Science and Engineering Graduate Fellowship Program. M. Bintz dankt dem Army Research Office für seine Unterstützung (Fördernummer W911NF-21-1-0262). NYY dankt dem US-Energieministerium, dem Office of Science, den National Quantum Information Science Research Centers und dem Quantum Systems Accelerator für seine Unterstützung. DB dankt für die Unterstützung von MCIN/AEI/10.13039/501100011033 (Förderungsnummern RYC2018-025348-I, PID2020-119667GA-I00 und European Union NextGenerationEU PRTR-C17.I1). Die präsentierten Rechenergebnisse wurden zum Teil mithilfe des Cannon-Clusters der Faculty of Arts and Sciences Research Computing (FASRC) durchgeführt, der von der Division of Science Research Computing Group der Faculty of Arts and Sciences (FAS) an der Harvard University unterstützt wird, und der Computational Cluster-Ressource Savio, die von bereitgestellt wird das Berkeley Research Computing-Programm an der University of California und der Cluster Pôle Scientifique de Modélisation Numérique (PSMN) an der ENS Lyon.

Diese Autoren haben gleichermaßen beigetragen: Guillaume Bornet, Gabriel Emperauger, Cheng Chen, Bingtian Ye, Maxwell Block

Charles Fabry Laboratory Universität Paris-Saclay, Institut für Optik-Graduiertenschule, CNRS, Palaiseau Cedex, Frankreich

Guillaume Bornet, Gabriel Emperauger, Cheng Chen, Jamie A. Boyd, Daniel Barredo, Thierry Lahaye und Antoine Browaeys

Fachbereich Physik, Harvard University, Cambridge, MA, USA

Bingtian Ye, Maxwell Block, Marcus Bintz und Norman Y. Yao

Forschungszentrum für Nanomaterialien und Nanotechnologie (CINN-CSIC), Universität Oviedo (UO), El Entrego, Spanien

Daniel Barredo

Labor für Physik, Universität Lyon, Ens de Lyon, CNRS, Lyon, Frankreich

Tommaso Comparin, Fabio Mezzacapo und Tommaso Roscilde

Fachbereich Physik, University of California, Berkeley, CA, USA

Norman Y. Yao

Abteilung für Materialwissenschaften, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, CA, USA

Norman Y. Yao

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GB, GE, CC, JAB und DB führten die Experimente durch. BY, M. Block, M. Bintz, TC und FM führten die theoretischen Analysen und Simulationen durch. TR, TL, NYY und AB überwachten die Arbeiten. Alle Autoren trugen zur Datenanalyse, zum Fortschritt des Projekts sowie zu den experimentellen und theoretischen Aspekten bei. Alle Autoren haben zum Verfassen des Manuskripts beigetragen.

Korrespondenz mit Cheng Chen.

AB und TL sind Mitbegründer und Anteilseigner von PASQAL. Die übrigen Autoren erklären keine konkurrierenden Interessen.

Nature dankt Joonhee Choi, Luming Duan und den anderen, anonymen Gutachtern für ihren Beitrag zum Peer-Review dieser Arbeit.

Anmerkung des Herausgebers Springer Nature bleibt hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten neutral.

a, Schematische Darstellung der für das Experiment relevanten Atomniveaus. b, Sequenz von optischen und Mikrowellenimpulsen (nicht maßstabsgetreu), die für alle in den Abbildungen berichteten Experimente verwendet wurden. 1, 2 und 3 des Haupttextes.

Die Kreise und Rauten entsprechen Rohdaten bzw. korrigierten Daten. Die durchgezogenen Linien sind Potenzgesetz-Anpassungen. Der violett schattierte Bereich zeigt die Simulationen einschließlich einer Erkennungseffizienz von 97,5 ± 1 % (bzw. 99 ± 1 %) von $\left|\uparrow \right\rangle $ (bzw. $\left|\downarrow \right\rangle). $). Die gestrichelten Kurven stellen die Ergebnisse von Simulationen des XY-Dipolarmodells ohne Zustandsvorbereitung und Messfehler (grau) und nur ohne Erkennungsfehler (rosa) dar. Die gestrichelte schwarze Kurve stellt die genauen Ergebnisse für das OAT-Modell dar. Der unzugängliche Bereich entspricht Werten des Quetschparameters kleiner als 2/(2 + N)2.

a, Dynamik der Magnetisierung pro Spin für das dipolare XY-Modell auf einem periodischen quadratischen Gitter. Ergebnisse aus tVMC-Berechnungen und RSW-Theorie für verschiedene Systemgrößen (N = 16, ..., 144). Wir zeigen auch den Rotorbeitrag zur Magnetisierung, der einem effektiven einachsigen Verdrillungsmodell entspricht (siehe Text). b: Beitrag der Spinwelle (SW) zur Magnetisierung.

a, Halbklassische Beschreibung eines y-polarisierten Anfangszustands. b, c, Normale Spin-Squeezing-Dynamik. d, e: Mehrstufige Quetschdynamik, ermöglicht durch eine zusätzliche Rotation entlang der mittleren Spinrichtung.

Messungen des Quetschparameters mit zwei unterschiedlichen Verfahren. Der erste (lila Punkte) ist die ursprüngliche Sequenz, die in Abb. 1(c) dargestellt ist. Der zweite (dunkelgrüne Punkte) ist die Mehrschrittsequenz. Die schattierten Bereiche zeigen die Simulationen einschließlich einer Erkennungseffizienz von 97,5 ± 1 % (bzw. 99 ± 1 %) von $\left|\uparrow \right\rangle $ (bzw. \(\left|\downarrow \right\rangle \ )). Diese Daten entsprechen einem 6 × 6-Array.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Bornet, G., Emperauger, G., Chen, C. et al. Skalierbares Spin-Squeezing in einem dipolaren Rydberg-Atom-Array. Natur (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06414-9

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Eingegangen: 14. März 2023

Angenommen: 07. Juli 2023

Veröffentlicht: 30. August 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-023-06414-9

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