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Hybrid Atom Tweezer Array of Nuclear Spin and Optical Clock Qubits
Physical Review X ( IF 11.6 ) Pub Date : 2024-12-10 , DOI: 10.1103/physrevx.14.041062 Yuma Nakamura, Toshi Kusano, Rei Yokoyama, Keito Saito, Koichiro Higashi, Naoya Ozawa, Tetsushi Takano, Yosuke Takasu, Yoshiro Takahashi
Physical Review X ( IF 11.6 ) Pub Date : 2024-12-10 , DOI: 10.1103/physrevx.14.041062 Yuma Nakamura, Toshi Kusano, Rei Yokoyama, Keito Saito, Koichiro Higashi, Naoya Ozawa, Tetsushi Takano, Yosuke Takasu, Yoshiro Takahashi
While data qubits with a long coherence time are essential for the storage of quantum information, ancilla qubits are pivotal in quantum error correction (QEC) for fault-tolerant quantum computing. The recent development of optical tweezer arrays, such as the preparation of large-scale qubit arrays and high-fidelity gate operations, offers the potential for realizing QEC protocols, and one of the important next challenges is to control and detect ancilla qubits while minimizing atom loss and crosstalk. Here, we present the realization of a hybrid system consisting of a dual-isotope ytterbium (Yb) atom array, in which we can utilize a nuclear spin qubit of fermionic Yb171 as a data qubit and an optical clock qubit of bosonic Yb 174 as an ancilla qubit with a capacity of nondestructive qubit readout. We evaluate the crosstalk between qubits regarding the impact on the coherence of the nuclear spin qubits from the imaging light for Yb 174 . For the Hahn-echo sequence with a 399 nm probe and 556 nm cooling beams for Yb 174 , we observe 99.1(1.8)% coherence retained under 20 ms exposure, yielding a discrimination fidelity of 0.9992 and a survival probability of 0.988. The Ramsey sequence with a 556 nm probe beam shows negligible influence on the coherence, suggesting the potential future improvement of low crosstalk measurements. This result highlights the potential of the hybrid-Yb atom array for midcircuit measurements for ancilla-qubit-based QEC protocols. Published by the American Physical Society 2024
中文翻译:
核自旋和光时钟量子比特的混合原子镊子阵列
虽然具有长相干时间的数据量子比特对于量子信息的存储至关重要,但辅助量子比特在容错量子计算的量子纠错 (QEC) 中至关重要。光镊阵列的最新发展,例如大规模量子比特阵列和高保真门操作的制备,为实现 QEC 协议提供了潜力,下一个重要的挑战之一是控制和检测辅助量子比特,同时最大限度地减少原子损失和串扰。在这里,我们提出了一个由双同位素镱 (Yb) 原子阵列组成的混合系统的实现,其中我们可以利用费米子 Yb171 的核自旋量子比特作为数据量子比特,利用玻色子 Yb174 的光时钟量子比特作为具有非破坏性量子比特读取能力的辅助量子比特。我们评估了量子比特之间的串扰对 Yb174 成像光的核自旋量子比特相干性的影响。对于使用 Yb174 的 399 nm 探针和 556 nm 冷却光束的 Hahn 回波序列,我们观察到在 20 ms 暴露下保持 99.1(1.8)% 的相干性,产生 0.9992 的鉴别保真度和 0.988 的生存概率。具有 556 nm 探针光束的 Ramsey 序列对相干性的影响可以忽略不计,这表明低串扰测量在未来可能会得到改进。这一结果突出了混合 Yb 原子阵列在基于 ancilla-qubit 的 QEC 协议的中路测量中的潜力。 美国物理学会 2024 年出版
更新日期:2024-12-10
中文翻译:
核自旋和光时钟量子比特的混合原子镊子阵列
虽然具有长相干时间的数据量子比特对于量子信息的存储至关重要,但辅助量子比特在容错量子计算的量子纠错 (QEC) 中至关重要。光镊阵列的最新发展,例如大规模量子比特阵列和高保真门操作的制备,为实现 QEC 协议提供了潜力,下一个重要的挑战之一是控制和检测辅助量子比特,同时最大限度地减少原子损失和串扰。在这里,我们提出了一个由双同位素镱 (Yb) 原子阵列组成的混合系统的实现,其中我们可以利用费米子 Yb171 的核自旋量子比特作为数据量子比特,利用玻色子 Yb174 的光时钟量子比特作为具有非破坏性量子比特读取能力的辅助量子比特。我们评估了量子比特之间的串扰对 Yb174 成像光的核自旋量子比特相干性的影响。对于使用 Yb174 的 399 nm 探针和 556 nm 冷却光束的 Hahn 回波序列,我们观察到在 20 ms 暴露下保持 99.1(1.8)% 的相干性,产生 0.9992 的鉴别保真度和 0.988 的生存概率。具有 556 nm 探针光束的 Ramsey 序列对相干性的影响可以忽略不计,这表明低串扰测量在未来可能会得到改进。这一结果突出了混合 Yb 原子阵列在基于 ancilla-qubit 的 QEC 协议的中路测量中的潜力。 美国物理学会 2024 年出版