Ограничения на управление атомными кубитами с помощью лазерного шума

npj Quantum Information, том 8, Номер статьи: 72 (2022) Цитировать эту статью

3083 Доступа

6 цитат

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Технический шум, присутствующий в лазерных системах, может ограничить их способность осуществлять высокоточное квантовое управление атомными кубитами. Предельная точность для атомных кубитов, управляемых лазерным излучением, обусловлена ​​спонтанным излучением возбужденных энергетических уровней. Цель состоит в том, чтобы подавить технический шум лазерного источника ниже минимального уровня спонтанного излучения, чтобы он больше не был ограничивающим фактором. Было показано, что спектральная структура шума управления может иметь большое влияние на достижимую точность управления, в то время как предыдущие исследования вклада лазерного шума ограничивались величинами шума. Здесь мы изучаем уникальную спектральную структуру лазерного шума и вводим метрику, которая определяет, был ли стабилизированный лазерный источник оптимизирован для квантового управления атомными кубитами. Мы обнаружили, что требования к полосе стабилизации могут быть на порядки выше, чем те, которые необходимы для простого сужения ширины линии лазера. Введенная метрика, линия χ-разделения, обеспечивает инструмент для изучения и разработки лазерных источников для квантового управления атомными кубитами ниже уровня спонтанного излучения.

Лазер стал бесценным инструментом управления атомными системами благодаря электронным переходам в атомах, обычно имеющих оптические длины волн. Применение лазера в области квантовой информации оказалось особенно эффективным1,2,3,4, а также было продемонстрировано управление одним атомным кубитом с уровнем ошибки 10–45,6. Использование лазерного излучения для манипулирования уровнями атомной энергии будет принципиально ограничено спонтанным излучением (СЭ) либо из-за конечного времени жизни кубитов, хранящихся в оптических переходах, либо из-за нерезонансного рассеяния при двухфотонных комбинационных переходах. Однако экспериментальные демонстрации минимального уровня ошибок SE не проводились, отчасти из-за того, что в ошибках кубитов доминируют технические источники шума. Представляет интерес понять и уменьшить техническую ошибку до уровня SE, чтобы обеспечить отказоустойчивые квантовые вычисления с низкими издержками.

Одним из доминирующих источников технического шума является локальный генератор (LO), взаимодействующий с кубитом для квантового управления. В данной работе мы рассматриваем ЛО, полученные из лазерного излучения. Предыдущие исследования связали точность кубитов с общей величиной лазерного шума7,8,9,10,11,12, и было продемонстрировано, что спектральная структура полей шума LO может иметь решающее влияние на точность кубитов посредством изучения фазовых шум в микроволновых источниках13. Также было исследовано влияние специфических спектров лазерного шума на ридберговское возбуждение14. Здесь мы определяем общие условия на спектральную структуру частотного и интенсивного шума лазерного излучения, позволяющие снизить эти технические ошибки до уровня SE или ниже. Мы фокусируемся исключительно на влиянии лазерного шума на переход кубита в отсутствие других соседних переходов, которые могут привести к дополнительным путям ошибок. Ранее было признано, что спектральная структура лазерного шума может взаимодействовать с модами движения захваченных ионов10,15.

Мы обнаружили, что, вопреки распространенному мнению10,16,17, одного лишь сужения ширины линии LO недостаточно для высокоточного управления кубитами. Эффективная ширина линии, которую испытывает кубит, больше, чем та, которую дает простое измерение ширины линии LO на полной ширине и полувысоте (FWHM). Это связано с тем, что высокочастотный боковой шум на несущей гетеродина может оказывать значительное влияние на точность кубитов, а методы стабилизации ограничены в своей полосе управления15,18,19,20.

Мы обнаружили, что частотный шум лазера является основным фактором, поскольку мы показываем, что неверность кубита из-за шума интенсивности лазера, ограниченного дробовым шумом, всегда ниже минимального значения SE для всех часто используемых видов атомов и типов кубитов. На практике лазерные источники редко ограничиваются дробовым шумом, и мы излагаем требования к полосе стабилизации шума интенсивности для подавления этих ошибок ниже минимального уровня SE.