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Rydberg interactions in a defect-free array of single-atom quantum systems

Ohl de Mello, Daniel (2020):
Rydberg interactions in a defect-free array of single-atom quantum systems.
Darmstadt, Technische Universität, DOI: 10.25534/tuprints-00011504,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Rydberg interactions in a defect-free array of single-atom quantum systems
Language: English
Abstract:

Neutral atoms trapped and manipulated by laser light provide experimentally well accessible quantum systems allowing for a high degree of control over external and internal degrees of freedom. Arrays of dipole traps in which the atoms are confined individually in a configurable geometry constitute a versatile platform for quantum simulation and information applications. By exciting these atoms into Rydberg states, interactions of variable strength and range can be introduced into the system, allowing for the implementation of entangling gate operations or spin Hamiltonians. A crucial requirement for these schemes to function in a reliable way is the ability to create defect-free arrays of single atoms. This is generally a challenge in these types of systems, as common atom loading schemes are limited to roughly 50% probability of filling each site. In this work, a technique for the rearrangement of atoms within a scalable architecture based on micro-optical lens arrays was developed and implemented, resulting in the creation of uniformly filled regions containing more than 100 atoms, which represent the largest defect-free structures realized so far in systems of this kind. This was accomplished by filling the empty traps in a pre-defined pattern with an atom one by one using an optical tweezer. Thus, structures with up to 5 x 5 atoms could be rendered defect-free in more than 99% of attempts. Although the success rate drops below unity for larger clusters, a value of 3.1% for a 100-atom structure is still viable for experiments working with post-selection methods. The filling fraction of even the largest examined structures was observed to be higher than 88%, surpassing common loading schemes by a significant margin. The measurements presented in this thesis build on a region of the array containing 361 sites, being limited by available laser power. In contrast, the addressable range of the optical tweezer includes more than 1500 sites and microlens arrays with up to a million lenses are commercially available. By implementing coherent Rydberg excitation of this assembled atom array, significant progress toward a universal quantum computer or flexible quantum simulator has been made. Using a two-photon excitation scheme, coherent dynamics between the ground and Rydberg state could be observed simultaneously in a 5 x 5 region of the array, with two-photon Rabi frequencies on the order of Omega = 2Pi x 500kHz measured for a Rydberg laser beam waist of w_0,B = 18.7(10) µm. The choice of an appropriate Rydberg state and interatomic spacing led to the presence of strong nearest-neighbor interactions and allowed for the demonstration of the Rydberg blockade effect by observing a collective enhancement of the Rabi frequency consistent with the expected scaling ~ sqrt(N) as well as the suppression of multiple excitations. This mechanism represents the fundamental constituent of a two-qubit gate operation. The architecture introduced in this work offers a scalability unique among quantum simulation platforms and the presented results underpin its potential to propel the atom-optical approach for quantum information processing beyond the threshold of quantum supremacy. Different approaches for scaling up the system have been explored, indicating that defect-free structures of more than 1000 atoms are within range with feasible experimental improvements. Through a detailed analysis of the factors limiting the coherence of the observed dynamics, strategies for future experimental improvements have been developed. Among these, increasing the coupling strength to the Rydberg state into the megahertz regime by increasing laser power and implementing single-site addressing represents the most straight-forward and promising approach.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Neutrale Atome, die mithilfe von Laserlicht gefangen und manipuliert werden können, stellen experimentell gut zugängliche Quantensysteme dar, die ein hohes Maß an Kontrolle über externe und interne Freiheitsgrade erlauben. Optische Dipolfallenregister, in denen die Atome innerhalb einer konfigurierbaren Geometrie individuell gespeichert werden, bilden eine vielseitige Plattform für Quantensimulations- und -informationsanwendungen. Durch Anregung dieser Atome in Rydbergzustände können Wechselwirkungen variabler Stärke und Reichweite in das System eingebracht werden, was die Implementierung von Verschränkungsoperationen und Spin-Hamiltonians erlaubt. Eine wesentliche Vorraussetzung für die zuverlässige Realisierung dieser Anwendungen ist die Möglichkeit, fehlstellenfreie Register zu erzeugen. Dies stellt eine allgemeine Herausforderung für Systeme dieser Art dar, da übliche Atomladetechniken auf eine Besetzungswahrscheinlichkeit von etwa 50% pro Falle limitiert sind. Innerhalb dieser Arbeit wurde ein Verfahren zur Umsortierung von Atomen innerhalb einer skalierbaren, auf mikrooptischen Linsenregistern basierenden Architektur entwickelt und umgesetzt. Dieses ermöglichte die Erzeugung von einheitlich gefüllten Regionen mit mehr als 100 Atomen, welche den größten bisher realisierten Strukturen in Systemen dieser Art entsprechen. Umgesetzt wurde dies durch das Auffüllen von Fehlstellen in einer vordefinierten Struktur mithilfe einer optischen Pinzette. So konnten Strukturen mit bis zu 5 x 5 Atomen in mehr als 99% der Versuche fehlstellenfrei aufgebaut werden. Obwohl die Erfolgsrate für größere Strukturen abnimmt, erlaubt ein Wert von 3.1% für eine 100-Atom-Struktur die Durchführung von Experimenten, bei welchen die Auswertung auf Postselektionsmethoden zurückgreift. Die Füllfaktoren sogar der größten untersuchten Strukturen überschritten 88%, deutlich mehr als mit herkömmlichen Ladetechniken erreichbar ist. Die in dieser Thesis vorgestellten Messungen basieren auf einer Region aus 361 Registerstellen, welche nur durch vorhandene Laserleistung limitiert ist, während der adressierbare Bereich der optischen Pinzette mehr als 1500 Stellen beinhaltet und Mikrolinsenregister mit bis zu einer Million Einzellinsen kommerziell erhältlich sind. Durch die Implementierung kohärenter Rydberganregungen der Atome in einem so zusammengesetzten Register konnte ein signifikanter Fortschritt in Richtung eines universellen Quantencomputers oder eines flexiblen Quantensimulators gemacht werden. Mit einem Zwei-Photonen-Anregungsschema konnte die kohärente Dynamik zwischen dem Grund- und Rydbergzustand von Atomen in einem 5 x 5-Bereich des Registers simultan beobachtet werden, wobei Zwei-Photonen-Rabifrequenzen im Bereich von Omega = 2Pi x 500kHz bei einer Strahltaille des Rydberglasers von w_0,B = 18.7(10) µm gemessen wurden. Die Wahl sowohl eines geeigneten Rydbergzustands als auch eine Anpassung des Atomabstands des Registers führte zum Auftreten von starken Nächste-Nachbarn-Wechselwirkungen und erlaubte den Nachweis des Rydberg-Blockade- Effekts durch Beobachtung einer kollektiv erhöhten Rabifrequenz im Einklang mit der erwarteten Skalierung ~ sqrt(N), sowie der Unterdrückung von Mehrfachanregungen. Die in dieser Arbeit vorgestellte Architektur bietet eine für Quantensimulatoren einzigartige Skalierbarkeit und die hier dokumentierten Ergebnisse untermauern ihr Potential, den atomoptischen Ansatz für die Quanteninformationsverarbeitung über die Schwelle der Quantenüberlegenheit zu treiben. Die Untersuchung verschiedener Ansätze zur Skalierung der Sortiermethode ergab, dass fehlstellenfreie Strukturen aus mehr als 1000 Atomen mit gangbaren experimentellen Verbesserungen möglich sind. Durch eine ausführliche Analyse der Faktoren, die die Kohärenz der beobachteten Rydberg-Dynamik limitieren, wurden Strategien für zukünftige experimentelle Verbesserungen entwickelt. Unter diesen ist die Erhöhung der Kopplungsstärke an den Rydbergzustand ins Megahertz-Regime durch Steigerung der Laserleistung und der Implementierung von Einzeladdressierbarkeit der naheliegendste und vielversprechendste Ansatz.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 05 Department of Physics > Institute of Applied Physics
05 Department of Physics > Institute of Applied Physics > Atoms Photons Quanta
Date Deposited: 25 Mar 2020 10:55
Last Modified: 09 Jul 2020 06:27
DOI: 10.25534/tuprints-00011504
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-115040
Referees: Birkl, Prof. Dr. Gerhard and Walther, Prof. Dr. Thomas
Refereed: 17 February 2020
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/11504
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