Demonstration of Quantum Gate Operations and Quantum Sensing on a Scalable System Based on Neutral Atoms

Neutral atoms in registers of optical tweezers have established themselves as a versatile platform for timely investigations in quantum physics. This applies in particular to the access to new orders of magnitude in metrology and the development of quantum computers. The research into quantum physics, which has been ongoing for less than a hundred years, shows potential for numerous further discoveries. This work demonstrates the application of neutral atoms in optical tweezer arrays as quantum sensors and as quantum processors in the same experimental setup. In the field of quantum sensing, a magnetic field resolution of 98(29) nT is demonstrated with a spatial resolution of a few micrometers. A sensitivity of the sensor of 25 µT/√Hz is achieved. Using the magnetic field measurement, one component of a quadrupole field with a range from −2µT to 7 µT is probed. The Ramsey spectroscopy used here is not limited to the measurement of magnetic fields, but allows the measurement of any field that causes a sufficient shift in the energy levels of the atoms. For the application of neutral atoms as a quantum processor, this work shows the demonstration of 1-qubit rotations, virtual-Z rotations and a restricted controlled NOT (CNOT) operation. The clock states in the hyperfine structure of individual rubidium atoms, known for their long coherence times, are used as qubit basis states. For the selected parameters, an inhomogeneous coherence time of T ∗ 2 = 340(26) µs is demonstrated with a perspective to a homogeneous coherence time of several milliseconds. Manipulations of the qubit states are performed on the basis of two-photon transitions. By varying the reference phase of an optical phaselocked loop, virtual-Z rotations on superpositions of these basis states are demonstrated. The interaction between the atoms is controlled using Rydberg states. The excitation of these states is studied in detail and typical limitations are addressed and partly associated with the generation of electrostatic fields. These fields are supposed to originate from rubidium atoms ab- and desorbed at the surfaces of the vacuum housing. To the author’s knowledge, an optical phase-locked loop is used for the first time to stabilize a laser on the transmitted light of a highly stable optical resonator with a Finesse larger than 30 000. The application of these operations to the atoms are explicitly designed to allow a scaling of the operations. A key feature is the controlled addressing of individual sites of the atom arrays, which is implemented for both the 1-qubit and the restricted CNOT operation. This represents a new approach in contrast to other quantum processors, which achieve the scaling of their quantum gates by moving the atoms in the optical registers. Addressing with light offers the prospect of an operation that is 100 times faster than the movement of the atoms allows.

Neutrale Atome in Registern von optischen Pinzetten haben sich als vielfältige Plattform für die Erforschung aktueller Fragestellungen der Quantenphysik etabliert. Dies betrifft insbesondere die Erschließung von neuen Größenordnungen in der Metrologie und die Entwicklung von Quantencomputern. Die seit weniger als einhundert Jahren andauernde Erforschung der Quantenphysik zeigt Potential für zahlreiche weitere Entdeckungen auf diesen Gebieten. Diese Arbeit demonstriert die Anwendung von neutralen Atomen in Registern von optischen Pinzetten als Quantensensoren und als Quantenprozessoren in dem selben experimentellen Aufbau. Auf dem Feld der Quantensensorik wird eine Magnetfeldauflösung von 98(29) nT demonstriert mit einer räumlichen Auflösung von wenigen Mikrometern. Eine Sensitivität des Sensors von 25 µT/√Hz wird erreicht. Mithilfe der Magnetfeldmessung wird eine Komponente eines Quadrupolfeldes mit einer Spanne von −2µT bis 7 µT vermessen. Die dabei verwendete Technik der Ramsey-Spektroskopie ist hierbei nicht nur auf die Messung von magnetischen Feldern limitiert, sondern erlaubt die Messung jedes Feldes, das eine ausreichende Verschiebung der Energieniveaus der Atome bewirkt. In der Anwendung als Quantenprozessor zeigt diese Arbeit die Demonstration von 1-Qubit Rotationen, virtuellen-Z Rotationen und einer eingeschränkten Controlled NOT (CNOT) Operation. Als Qubitbasiszustände werden die für ihre langen Kohärenzzeiten bekannten Uhrenzustände in der Hyperfeinstruktur von einzelnen Rubidiumatomen verwendet. Eine inhomogene Kohärenzzeit von T ∗ 2 = 340(26) µs wird für die verwendeten Parameter demonstriert mit einem Ausblick auf eine homogene Kohärenzzeit von mehreren Millisekunden. Manipulationen von Qubitzuständen werden auf der Basis von Zwei-Photonen-Übergängen vorgenommen. Mittels Variation der Referenzphase einer optischen Phasenregelschleife werden hierbei auch virtuelle-Z Rotationen auf Superpositionen dieser Basiszustände demonstriert. Eine Wechselwirkung zwischen den Atomen wird durch die Verwendung von Rydbergzuständen gesteuert. Die Anregung dieser Zustände wird ausgiebig untersucht und typische Limitierungen behoben, die teilweise mit der Erzeugung von elektrostatischen Feldern in Zusammenhang gebracht werden. Es wird vermutet, dass diese Felder von Rubidiumatomen erzeugt werden, die an den Oberflächen der Vakuumaperatur ab- und desorbiert werden. Nach Kenntnis des Autors wird erstmals eine optische Phasenregelschleife angewendet, die einen Laser auf das transmittierte Licht eines hochstabilen optischen Resonators mit einer Finesse größer als 30 000 regelt. Die Umsetzung dieser Operationen auf den Atomen ist explizit so aufgebaut, dass sie eine Skalierung der Operationen erlaubt. Eine Schlüsseltechnologie stellt dabei die gesteuerte Adressierung von einzelnen Plätzen der atomaren Register dar, die sowohl für die 1-Qubit- wie auch für die eingeschränkte CNOT-Operation implementiert wird. Dies stellt einen neuen Ansatz im Gegensatz zu anderen Quantenprozessoren dar, die die Skalierung ihrer Quantengatter durch die Bewegung der Atome in den optischen Registern erreichen. Eine Adressierung mit Licht stellt dabei eine 100-fach schnellere Operation in Aussicht als es die Bewegung der Atome zulässt.