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Interacting Neutral Atoms in a Scalable Platform of Optical Tweezers for Quantum Computation and Sensing

Schäffner, Dominik (2022):
Interacting Neutral Atoms in a Scalable Platform of Optical Tweezers for Quantum Computation and Sensing. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00020344,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Interacting Neutral Atoms in a Scalable Platform of Optical Tweezers for Quantum Computation and Sensing
Language: English
Abstract:

Arrays of optical tweezers provide a versatile environment to store neutral-atom quantum systems with precise control over their internal and external degrees of freedom. These configurations offer a wide range of applications in a variety of research fields including quantum computation and simulation, quantum many-body physics, and quantum sensing. The micro-optical platform presented in this work provides a large-scale tweezer array comprising hundreds of focused-beam dipole potentials with diffraction-limited waists of 1.45(10) µm. Exploiting light-assisted collisions allows for preparation of 191(17) individual laser-cooled rubidium atoms into a typical number of 361 sites of a quadratic-grid array with trap depths corresponding to temperatures in the millikelvin regime. In the context of this thesis, a technique was implemented to transform an arbitrary distribution of atoms within the array into a predefined pattern via sequential transport between sites. Surpassing the stochastic loading process, this allows to commence experiments from a well-defined initial configuration, compensate for atom loss during an experimental cycle, and decrease the necessary number of time-consuming laser cooling phases. Based on this approach, defect-free configurations consisting of up to 111 atoms could be demonstrated. This paved the way to conduct experiments which have been impossible to carry out before within a reasonable amount of time. Significant progress has been made towards the realization of two-qubit operations in this experimental platform. Site-selective coherent coupling from the 5S½ ground to a 82S½ Rydberg state via a two-photon process was implemented yielding Rabi frequencies of up to 2π · 0.78(5) MHz. Following this, Rydberg-blockade between atoms at neighboring array sites separated by 7.0(2) µm was achieved using a sequential addressing scheme. Additional advances were made regarding the coherent coupling between the hyperfine ground states which led to sub-microsecond π-pulse durations in the large-scale array. On that basis, the tweezer platform was turned into a two-dimensional site-resolved sensor array for magnetic fields. Using a total of 270 individual-atom sensors covering an area of 119 µm × 98 µm allows for parallelized detection of external magnetic fields with a sensitivity of 100 nT and a spatial resolution of 7 µm. Utilizing a single-atom probe in a movable optical tweezer, significantly enhanced the spatial resolution while the sensitivity stayed in agreement with the result obtained via parallelized detection. Furthermore, novel concepts to extend the available tweezer configurations of the present quantum platform have been evaluated. This includes the implementation of spatial light modulation with digital micromirror devices (DMD) as well as 3D-printed microlens arrays. Applying DMD-based addressing of microlenses, dynamic reconfiguration of tweezer geometries could be demonstrated with individual-site control. In addition, 3D printing was found to offer even further flexibility in the configuration of the microlens array itself. This led to the development of a hybrid tweezer setup combining the stability involved with microlens-based platforms, the short-term modification of the fundamental lens arrangement based on rapid prototyping of user-definable microlens arrays, and the DMD-based reconfigurability with real-time control for the creation of versatile tweezer geometries.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Register aus optischen Pinzetten bieten eine vielseitige Umgebung für die präzise Kontrolle der internen und externen Freiheitsgrade von Quantensystemen aus neutralen Atomen. Dabei ergibt sich eine Fülle von Anwendungsmöglichkeiten in einer Vielzahl an Forschungsfeldern einschließlich Quanteninformationsverarbeitung und -simulation, Vielteilchenphysik sowie Quantensensorik. Die mikrooptische Plattform, welche in dieser Arbeit vorgestellt wird, resultiert in einem großflächigen Dipolfallenregister, das durch einzeln fokussierte Laserstrahlen mit einer Strahltaille von 1.45(10) µm erzeugt wird. Unter Ausnutzung lichtinduzierter Stöße werden in einem typischen Arbeitsbereich von 361 Fallenplätzen 191(17) lasergekühlte Atome räumlich getrennt voneinander bei Fallentiefen im Bereich von k · Millikelvin präpariert. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Technik implementiert, welche den Transport von Atomen zwischen Fallen erlaubt, womit eine stochastisch gegebene Anfangsverteilung in eine vorgegebene Zielstruktur überführt werden kann. Dies erlaubt nicht nur die Durchführung von Experimenten ausgehend von einem wohldefinierten Anfangszustand, sondern auch die Kompensation von Atomverlusten innerhalb eines Messzyklus und damit die Reduktion der Notwendigkeit von zeitaufwendigen Phasen der Laserkühlung. Basierend auf diesem Ansatz konnten fehlstellenfreie Strukturen aus bis zu 111 Atomen erzeugt und der Weg für Experimente bereitet werden, welche vorher nicht in sinnvoller Zeitdauer durchführbar waren. Entscheidende Fortschritte wurden hinsichtlich der Realisierung von Zwei-Qubit-Operationen in dieser experimentellen Plattform gemacht. Über einen Zwei-Photonen-Prozess wurde die kohärente Kopplung zwischen einem Hyperfein-Grundzustand des 5S½-Grundzustandes und einem 82S½-Rydbergzustand unter Einzelplatzauflösung mit Rabifrequenzen von 2π · 0.78(5) MHz realisiert. Dies ermöglichte den Nachweis der Rydberg-Blockade zwischen Atomen benachbarter Fallenplätze in einem Abstand von 7.0(2) µm unter sequentieller Adressierung. Hinsichtlich der kohärenten Kopplung innerhalb von Hyperfein-Grundzuständen konnten π-Pulszeiten unterhalb von einer Mikrosekunde realisiert werden. Daran anknüpfend wurde die vorliegende Plattform als zweidimensionaler Magnetfeldsensor genutzt. Dieser bietet 270 Einzelatom-Sensoren für parallelisierte Detektion, welche bei einer Sensitivität von 100 nT eine Fläche von 119 µm × 98 µm mit einer räumlichen Auflösung von 7 µm abdecken. Weiterhin konnte die Detektion mit einem unabhängigen Einzelatom-Sensor in einer beweglichen optischen Pinzette gezeigt werden, welche die Erhöhung der räumlichen Auflösung ermöglicht und ein zur parallelisierten Messung übereinstimmendes Ergebnis liefert. Schlussendlich wurden neuartige Konzepte entwickelt, welche einen erheblich höheren Grad an Flexibilität hinsichtlich der im Experiment konfigurierbaren Fallengeometrien bieten. Diese beinhalten räumliche Intensitätsmodulation mit digitalen Mikrospiegeleinheiten (DMD) ebenso wie 3D-gedruckte Mikrolinsenregister. DMD-basierte Adressierung von Mikrolinsen erlaubte die dynamische Anpassung von Fallengeometrien mit Einzelplatzkontrolle. Außerdem erwies sich 3D-Druck als weitere Möglichkeit zur flexiblen Konfiguration von Mikrolinsenregistern. Damit konnte ein hybrider Aufbau optischer Pinzetten entwickelt werden, welcher die Stabilität einer Mikrolinsen-basierten Plattform mit kurzfristiger Anpassbarkeit der Linsengeometrie beruhend auf schneller Prototypenentwicklung von benutzerdefinierten Registern und Echtzeitkontrolle für vielseitige Fallengeometrien kombiniert.

German
Place of Publication: Darmstadt
Collation: viii, 109 Seiten
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 05 Department of Physics > Institute of Applied Physics > Atoms Photons Quanta
Date Deposited: 25 Apr 2022 12:52
Last Modified: 25 Apr 2022 12:52
DOI: 10.26083/tuprints-00020344
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-203442
Referees: Birkl, Prof. Dr. Gerhard ; Walther, Prof. Dr. Thomas
Date of oral examination: 31 May 2021
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/20344
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