KR102609437B1 - 중성 원자 양자 정보 프로세서 - Google Patents
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Abstract
시스템들 및 방법들은 원자들을 1D 및/또는 2D로 배열시키고; 예를 들어, 본원에 설명된 레이저 조작 기술들 및 고충실도 레이저 시스템들을 사용하여, 원자들을 리드베르그 상태들로 여기시켜 원자 어레이로 진화시키고; 결과적인 최종 상태를 관찰하는 것에 관한 것이다. 추가로, 조립된 원자 어레이에 대한 충실도 및 코히어런트한 제어를 제공하는 것과 같은 개선이 이루어질 수 있다. 예시적인 문제들은 원자들의 배열 및 제어를 위한 시스템들 및 방법들을 사용하여 해결될 수 있다.
Description
관련 출원들에 대한 상호 참조
이 출원은 2017년 7월 13일에 출원된, "PROBING MANY-BODY DYNAMICS ON A PROGRAMABLE 51-ATOM QUANTUM SIMULATOR"이라는 명칭의 미국 임시 출원 번호 제62/531,993호에 대한 우선권의 이익을 주장하며, 그 개시는 그 전체가 참조로서 본원에 통합된다. 이 출원은 또한 2017년 11월 22일에 출원된, "RYDBERG QUANTUM OPTIMIZER FOR MAXIMUM INDEPENDENT SET"이라는 명칭의 미국 임시 출원 번호 제62/589,716호에 대한 우선권의 이익을 주장하며, 그 개시는 그 전체가 본원에 참조로서 통합된다.
저작권 공고
본 특허 개시는 저작권 보호를 받는 자료를 포함할 수 있다. 저작권 소유자는 미국 특허 및 상표청의 특허 파일 또는 기록에 나타나는 특허 문서 또는 특허 개시에 대한 어느 누구의 팩시밀리 복제에 반대하지 않지만, 그 밖의 모든 저작권들을 보유한다.
기술분야
본 특허는 양자 컴퓨팅에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 원자 어레이를 준비하고 진화시키는 것에 관한 것이다.
일부 실시예들에 따르면, 본원에 설명된 시스템 및 방법은 원자들을 1D 및/또는 2D 어레이들로 배열시키고; 원자들을 리드베르그 상태들(Rydberg states)로 여기시키고, 예를 들어, 본원에 설명된 레이저 조작 기술들 및 고충실도(high fidelity) 레이저 시스템들을 사용하여 원자 어레이를 진화시키고; 결과적인 최종 상태를 관찰하는 것에 관한 것이다. 추가로, 조립된 원자 어레이의 고충실도 및 코히어런트(coherent) 제어를 제공하는 것과 같은, 본원에 설명된 시스템 및 방법들에 대한 개선들이 이루어질 수 있다. 본원에 설명된 시스템 및 방법들을 사용하여 해결될 수 있는 예시적인 문제들이 논의된다.
하나 이상의 실시예들에서, 방법은 원자 어레이를 제1 어레이 상태로 형성하는 단계를 포함하며, 상기 형성하는 단계는: 결정체(crystal)를 복수의 개별 조정 가능한 음향 톤 주파수들로 여기시키고, 복수의 구속 영역들을 생성하도록 레이저를 결정체를 통해 통과시키되, 각 음향 톤 주파수는 단일 원자에 대한 개별 구속 영역에 대응되고, 복수의 구속 영역들 중 적어도 두 영역에 적어도 두 개의 원자들을 트랩핑(trapping)시키고, 트랩핑된 원자들을 포함하는 구속 영역들을 식별하도록 개별 조정 가능한 음향 톤 주파수들을 상관시키고, 적어도 하나의 상관된 조정 가능한 음향 톤 주파수를 스위핑(sweeping)시켜 트랩핑된 원자들 중 적어도 둘 사이의 간격을 조정하는 단계; 트랩핑된 원자들 중 적어도 일부를 여기 상태로 전이시키도록 트랩핑된 원자들 중 적어도 일부를 광자 에너지에 노출(subjecing)시킴으로써 제1 어레이 상태의 복수의 원자들을 제2 어레이 상태의 복수의 원자들로 진화시는 단계; 및 제2 어레이 상태의 복수의 원자들을 관측하는 단계를 포함한다.
하나 이상의 실시예들에서, 여기 상태는 리드베르그 상태이다.
하나 이상의 실시예들에서, 제1 어레이 상태의 복수의 원자들은 5개 내지 51개의 원자들을 포함한다.
하나 이상의 실시예들에서, 복수의 원자들을 진화시키는 단계는 원자들 중 적어도 일부를 광자 에너지에 노출시키기 전에 제1 어레이 상태의 원자들 중 적어도 일부를 접지 상태의 제만(Zeeman) 서브 레벨로 준비시키는 단계를 포함한다.
하나 이상의 실시예들에서, 제1 어레이 상태의 원자들을 접지 상태의 제만 서브 레벨로 준비시키는 단계는 자기장에서의 광 펌핑(optical pumping)을 포함한다.
하나 이상의 실시예들에서, 원자들 중 적어도 일부를 광자 에너지에 노출시키는 단계는 두 개의 상이한 파장들을 갖는 광을 적용시키는 단계를 포함하며, 원자들 중 적어도 일부의 여기 상태로의 전이는 두 개의 광자 전이를 포함한다.
하나 이상의 실시예들에서, 두 개의 상이한 파장들은 대략 420 nm 및 대략 1013 nm이다.
하나 이상의 실시예들에서, 상기 방법은 제3 파장을 갖는 위상 게이트를 적용하는 단계를 더 포함한다.
하나 이상의 실시예들에서, 제3 파장은 대략 809 nm이다.
하나 이상의 실시예들에서, 원자들 중 적어도 일부를 광자 에너지에 노출시키는 단계는 두 개의 하프-파이(half-pi) 펄스들을 적용하는 단계를 포함한다.
하나 이상의 실시예들에서, 원자들 중 적어도 일부를 광자 에너지에 노출시키는 단계는 두 개의 하프-파이 펄스들 간 파이(pi) 펄스를 적용하는 단계를 더 포함한다.
하나 이상의 실시예들에서, 적어도 두 개의 상기 적어도 두 개의 원자들을 트랩핑하는 단계는 원자들의 클라우드로부터 적어도 두 개의 원자들을 트랩핑하는 단계 및 복수의 구속 영역들 중 하나에 트래핑되지 않은 원자들의 클라우드로부터 원자들을 분산시키는 단계를 포함한다.
하나 이상의 실시예들에서, 결정체 및 레이저는 제1 제어 음향 광 디플렉터(AOD)를 포함하며, 적어도 두 개의 원자들을 트랩핑하는 단계는 2차원에서 이격된 적어도 3개의 트랩들을 갖는 홀드 트랩 어레이로부터의 원자들을 트랩핑하는 단계를 포함한다.
하나 이상의 실시예들에서, 홀드 트랩 어레이는 적어도 하나의 홀드 AOD, 공간 광 변조기(SLM) 및 광학 격자 중 적어도 하나에 의해 생성된다.
하나 이상의 실시예들에서, 상기 방법은 제1 제어 AOD와 상호 관계로 구성된 제2 제어 AOD를 더 포함하며: 트랩핑된 원자들을 포함하는 구속 영역들을 식별하기 위해 개별 조정 가능한 음향 톤 주파수들을 상관시키는 단계는 제1 제어 AOD 및 제2 제어 AOD의 개별 조정 가능한 음향 톤 주파수들과 상관시키는 단계를 포함하고, 트랩핑된 원자들 중 적어도 두 개의 원자들 사이의 간격을 조정하는 단계는 제1 제어 AOD 또는 제2 제어 AOD의 적어도 하나의 상관된 조정 가능한 음향 톤 주파수를 스위핑하는 단계를 포함한다.
하나 이상의 실시예들에서, 트랩핑된 원자들 중 적어도 두 개의 원들 사이의 상기 간격을 조정하는 단계는 복수의 원자들의 위치를 행으로 조정하는 단계를 더 포함한다.
하나 이상의 실시예들에서, 상기 방법은: 제1 원자 어레이에 인접한 제3 어레이 상태의 제2 원자 어레이를 형성하는 단계를 더 포함하며, 상기 형성하는 단계는, 결정체를 복수의 제2 개별 조정 가능한 음향 톤 주파수들로 여기시키고, 복수의 제2 구속 영역들을 생성하도록 제2 레이저를 제2 결정체를 통해 통과시키되, 각 제2 음향 톤 주파수는 단일 원자에 대한 개별 제2 구속 영역에 대응되고, 복수의 제2 구속 영역들 중 적어도 두 영역에 적어도 두 개의 제2 원자들을 트랩핑하고, 트랩핑된 원자들을 포함하는 제2 구속 영역들을 식별하도록 제2 개별 조정 가능한 음향 톤 주파수들을 상관시키고, 적어도 하나의 제2 상관된 조정 가능한 음향 톤 주파수를 스위핑(sweeping)시켜 트랩핑된 제2 원자들 중 적어도 둘 사이의 간격을 조정하는 단계를 포함하고; 트랩핑된 원자들 중 적어도 일부를 여기 상태로 전이시키기 위해 트랩핑된 원자들 중 적어도 일부를 광자 에너지에 노출시킴으로써 제1 어레이 상태의 복수의 원자들을 제2 어레이 상태의 복수의 원자들로 진화시키는 단계는 제2 트랩핑된 원자들 중 적어도 일부를 여기 상태로 전이시키기 위해 제2 트랩핑된 원자들 중 적어도 일부를 광자 에너지에 서노출시킴으로써 제3 어레이 상태의 복수의 제2 원자들을 제4 어레이 상태의 복수의 제2 원자들로 진화시키는 단계를 포함하고; 제2 어레이 상태의 상기 복수의 원자들을 관찰하는 단계는 제4 어레이 상태의 복수의 제2 원자들을 관찰하는 단계를 더 포함한다.
하나 이상의 실시예들에서, 적어도 하나의 상관된 조정 가능한 음향 톤 주파수를 스위핑시킴으로써 트랩핑된 원자들 중 적어도 둘 사이의 상기 간격을 조정하는 단계는 양자 컴퓨팅 문제를 인코딩하는 단계를 포함하며; 제1 어레이 상태의 상기 복수의 원자들을 제2 어레이 상태의 복수의 원자들로 진화시키는 단계는 상기 양자 컴퓨팅 문제에 대한 해결책을 생성하고; 제2 어레이 상태의 복수의 원자들을 관찰하는 단계는 양자 컴퓨팅 문제에 대한 해결책을 판독하는 단계를 포함한다.
하나 이상의 실시예들에서, 양자 컴퓨팅 문제는 이징 문제(Ising-problem) 및 최대 독립 세트(MIS) 최적화 문제 중 적어도 하나를 포함한다.
하나 이상의 실시예들에서, 시스템은: 제1 어레이 상태의 원자 어레이를 배열하는 구속 시스템을 포함하며, 상기 구속 시스템은: 결정체, 복수의 개별 조정 가능한 음향 톤 주파수들을 결정체에 선택적으로 적용하도록 구성된 조정 가능한 음향 톤 주파수 어플리케이션 소스, 및 복수의 구속 영역들을 생성하기 위해 광을 결정체를 통해 통과시도록 배열된 레이저 소스로서, 각 음향 톤 주파수는 개별 구속 영역에 대응되는, 상기 레이저 소스, 원자 클라우드의 소스로서, 상기 원자 클라우드는 복수의 구속 영역들과 적어도 부분적으로 오버랩되도록 위치될 수 있는, 상기 원자 클라우드의 소스; 제1 어레이 상태의 복수의 원자들 중 적어도 일부를 제2 어레이 상태의 복수의 원자들로 진화시키는 여기 소스로서, 상기 여기 소스는 적어도 하나의 광자 에너지 소스를 포함하는, 상기 여기 소스; 제2 어레이 상태의 복수의 원자들을 관찰하는 관찰 시스템을 포함한다.
하나 이상의 실시예들에서, 여기 소스는 제1 어레이 상태의 복수의 원자들 중 적어도 일부를 리드베르그 상태로 여기시키도록 구성된다.
하나 이상의 실시예들에서, 제1 어레이 상태의 복수의 원자들은 7개 내지 51개의 원자들을 포함한다.
하나 이상의 실시예들에서, 여기 소스는 제1 상태의 상기 복수의 원자들 중 적어도 일부를 상기 원자들 중 적어도 일부를 광자 에너지에 노출팅시키기 전에 접지 상태의 제만 서브 레벨로 여기시키도록 구성된다.
하나 이상의 실시예들에서, 청구항 0에서, 여기 소스는 광학 펌핑 시스템 및 자기장 생성기를 더 포함한다.
하나 이상의 실시예들에서, 적어도 하나의 광자 에너지 소스는 제1 어레이 상태의 복수의 원자들 중 적어도 일부의 두 개의 광자 전이를 생성하기 위한 제1 파장 및 제2 파장을 갖는 광원들을 포함한다.
하나 이상의 실시예들에서, 두 개의 상이한 파장들은 대략 420 nm 및 대략 1013 nm이다.
하나 이상의 실시예들에서, 적어도 하나의 광자 에너지의 소스는 위상 게이트를 적용하기 위한 제3 파장을 갖는 소스를 포함한다.
하나 이상의 실시예들에서, 제3 파장은 대략 809 nm이다.
하나 이상의 실시예들에서, 여기 소스는 두 개의 하프 파이(half-pi) 펄스들을 적용하도록 구성된다.
하나 이상의 실시예들에서, 여기 소스는 두 개의 하프 파이 펄스들 사이에 파이(pi) 펄스를 적용하도록 구성된다.
하나 이상의 실시예들에서, 구속 시스템은 제1 제어 음향 광 디플렉터(AOD)이며, 상기 시스템은 2차원에서 이격된 적어도 3개의 트랩들을 갖는 홀드 트랩 어레이로서, 상기 홀드 트랩 어레이는 홀드 트랩 소스에 의해 생성되는, 상기 홀드 트랩 어레이를 더 포함한다.
하나 이상의 실시예들에서, 홀드 트랩 어레이는 적어도 하나의 홀드 AOD, 공간 광 변조기(SLM) 및 광학 격자 중 적어도 하나를 포함한다.
하나 이상의 실시예들에서, 상기 시스템은 제1 제어 AOD와 상호 관계에 있는 제2 제어 AOD를 더 포함하며, 제1 제어 AOD는 제1 방향으로의 광 빔들의 편향을 제어하고, 제2 제어 AOD는 제1 방향과 다른 제2 방향으로 제1 AOD로부터의 광 빔들의 편향을 제어한다.
하나 이상의 실시예들에서, 구속 시스템은 제1 제어 음향 광 디플렉터(AOD)이며, 상기 시스템은 제1 제어 AOD와 적층 관계에 있는 제2 제어 AOD를 더 포함하며, 제1 제어 AOD는 제1 방향을 갖는 제1 어레이에 복수의 구속 영역들을 생생하도록 구성되며, 제2 제어 AOD 제어들이 제1 방향과 실질적으로 평행인 제2 어레이에 복수의 구속 영역들을 생성하도록 구성된다.
하나 이상의 실시예들에서, 트랩핑된 원자 어레이를 제어하기 위한 시스템은: 레이저 출력을 생성하는 레이저 소스; 상기 레이저 소스를 제어하는 레이저 소스 컨트롤러; 레이저 출력의 적어도 일부를 수신하고 레이저 출력을 안정화시키기 위해 피드백 신호를 상기 레이저 소스 컨트롤러에 제공하는 레이저 소스에 광학적으로 결합된 파운드-드레버-홀(Pound-Drever-Hall; PDH) 잠금; 레이저 소스에 광학적으로 결합된 기준 광학 캐비티로서, 기준 광학 캐비티는 레이저 출력의 적어도 일부를 수신하고 기준 광학 캐비티 출력을 전송하도록 구성되며, 기준 광학 캐비티 출력은 기준 광학 캐비티 전송 윈도우 내에 포함되는 레이저 출력의 적어도 일부의 부분에 대응되는, 상기 기준 광학 캐비티; 및 기준 광학 캐비티에 광학적으로 결합된 광학 아이솔레이터로서, 광학 아이솔레이터는 기준 광학 캐비티 출력을 분할하고, 기준 광학 캐비티 출력을 주입 잠금하기 위해 분할된 기준 광학 캐비티 출력의 적어도 일부를 패브리-페롯(Fabry-Perot) 레이저 다이오드에 제공하도록 구성되며, 광학 아이솔레이터는 주입 잠금된 광을 트랩핑된 원자들의 적어도 일부에 제공하는, 상기 광학 아이솔레이터를 포함한다.
하나 이상의 실시예들에서, PDH는 레이저 출력의 적어도 일부를 수신하고 광검출기 신호를 레이저 컨트롤러로 출력하는 광검출기를 더 포함한다.
하나 이상의 실시예들에서, 상기 시스템은 제1 레이저 출력과 다른 파장에서 제2 레이저 출력을 제공하는 제2 레이저 소스를 더 포함한다.
하나 이상의 실시예들에서, 상기 시스템은: 제2 레이저 소스를 제어하는 제2 레이저 소스 컨트롤러; 제2 레이저 출력의 적어도 일부를 수신하고, 제2 레이저 출력을 안정화시키기 위해 제2 피드백 신호를 제2 레이저 소스 컨트롤러로 제공하는 제2 레이저 소스에 광학적으로 결합된 제2 파운드-드레버-홀(PDH) 잠금; 제2 레이저 소스에 광학적으로 결합된 제2 기준 광학 캐비티로서, 제2 기준 광학 캐배티는 제2 레이저 출력의 적어도 일부를 수신하고, 제2 기준 광학 캐비티 출력을 전송하도록 구성되며, 제2 기준 광학 캐비티 출력은 제2 기준 광학 캐비티 전송 윈도우 내에 포함되는 제2 레이저 출력의 적어도 일부의 부분에 대응되는, 상기 제2 기준 광학 캐비티; 및 제2 기준 광학 캐비티에 광학적으로 결합된 제2 광학 아이솔레이터로서, 제2 광학 아이솔레이터는 제2 기준 광학 캐비티 출력을 분할하고, 제2 기준 광학 캐비티 출력을 주입 잠금하기 위해 분할된 제2 기준 광학 캐비티 출력의 적어도 일부를 제2 패브리-페롯 레이저 다이오드로 제공하도록 구성되며, 제2 광학 아이솔레이터는 제2 주입 잠금된 광을 상기 트랩핑된 원자들 중 적어도 일부에 제공하는, 상기 제2 기준 광학 캐비티를 더 포함한다.
하나 이상의 실시예들에서, 제2 레이저 소스는 대략 1013 nm에서 광을 생성한다.
하나 이상의 실시예들에서, 제2 기준 광학 캐비티 및 제1 기준 광학 캐비티는 동일한 소자이다.
하나 이상의 실시예들에서, 제1 주입 잠금된 광 및 제2 주입 잠금된 광은 역전파 구성에서 트랩핑된 원자들 중 적어도 일부에 제공된다.
하나 이상의 실시예들에서, 제1 레이저 소스는 대략 420 nm에서 광을 생성한다.
하나 이상의 실시예들에서, 상기 시스템은 광학 아이솔레이터와 트랩핑된 원자들 중 적어도 일부에 주입 잠금된 광을 포커싱하도록 구성된 상기 트랩핑된 원자 어레이 사이에서 광학적으로 위치된 광학계를 더 포함한다.
하나 이상의 실시예들에서, 상기 시스템은 주입 잠금된 광을 정렬시키기 위해 주입 잠금된 광의 적어도 일부를 선택하도록 구성된 공간 분해 이미징 장치를 더 포함한다.
개시된 주제의 이들 및 다른 능력들은 하기 도면들, 상세한 설명 및 청구 범위를 검토한 후에 보다 완전히 이해될 것이다. 본원에 사용된 어법 및 용어는 설명을 위한 목적을 위한 것이며 제한하는 것으로 간주되어서는 안된다는 것을 이해해야 한다.
개시된 주제의 다양한 목적들, 특징들 및 장점들은, 이하의 도면과 관련하여 고려될 때 개시된 주제에 대해 다음의 상세한 설명을 참조하여 보다 충분히 이해될 수 있으며, 유사한 참조 부호들은 유사한 요소들을 식별한다.
도 1a 내지 1f는 일부 실시예들에 따른, 원자 어레이를 준비하기 위한 시스템 및 방법의 양태들을 도시한다.
도 2a 내지 2b는 일부 실시예들에 따른, 결정상(crystalline phase)들의 위상 다이어그램 및 축적을 도시한다.
도 3a 내지 3c는 일부 실시예들에 따른, 본 개시에 설명된 방법들과 시뮬레이션의 비교를 도시한다.
도 4a 내지 4b는 일부 실시예들에 따른 스케일링 행동(scaling behavior)를 도시한다.
도 5a 내지 5d는 일부 실시예들에 따른, 단열적 진화 전후의 원자 어레이들 및 그 특성들을 도시한다.
도 6a 내지 6d는 일부 실시예들에 따른, 다체 역학(many-body dynamics)에서의 진동들의 그래픽 표현을 도시한다.
도 7a 내지 7d는 일부 실시예들에 따른, 단일 원자 배치 및 조작을 위한 제어를 특징으로 하는 시스템들 및 그래프들을 도시한다.
도 8a 내지도 8c는 일부 실시예들에 따른, 단일 원자 코히어런트 및 위상 제어를 특징으로 하는 그래프들을 도시한다.
도 9a 내지 9c는 2개의 원자들로 얽힘 발성을 특징으로 하는 그래프들을 도시한다.
도 10은 일 실시예들에 따른, 동적 디커플링을 통한 얽힌 상태 수명의 연장을 나타내는 그래프를 도시한다.
도 11a 내지 11b는 일부 실시예들에 따른, 최대 독립 세트들을 포함하는 독립 세트들의 예들을 도시한다.
도 12는 일 실시예에 따른, 단위 디스크 그래프의 예를 도시한다.
도 13a 내지 13b는 일부 실시예들에 따른, 독립 세트를 찾는 최대 독립 세트 확률 분포를 나타내는 단위 디스크 그래프의 예를 도시한다.
도 14는 일 실시예에 따른, 원자들의 2차원 순서화를 위한 시스템을 도시한다.
도 15a 내지 15h는 일부 실시예들에 따른, 원자들의 2차원 순서화를 위한 방법들을 도시한다.
도 16은 일 실시예에 따른, 원자들의 2차원 순서화를 위한 시스템을 도시한다.
도 17a 내지 17e는 일부 실시예들에 따른, 원자들의 2차원 순서화를 위한 방법들을 도시한다.
도 18a 내지 18h는 일부 실시예들에 따른, 원자들의 2차원 순서화를 위한 방법들을 도시한다.
도 19a 내지 19b는 일 실시예에 따른, 원자들의 2차원 순서화를 위한 시스템을 도시한다.
도 20a 내지 20c는 일부 실시예들에 따른, 원자들의 2차원 순서화를 위한 방법들을 도시한다.
도 21a 내지 21b는 일부 실시예들에 따른, 원자들의 2차원 순서화를 위한 방법들을 도시한다.
도 22a 내지 22p는 일부 실시예들에 따른, 원자들의 2차원 순서화를 위한 시스템들을 도시한다.
도 23은 일 실시예에 따른, 원자들의 2차원 순서화를 위한 시스템을 도시한다.
도 24a 내지 24e는 일부 실시예들에 따른, 원자들의 2차원 순서화를 위한 방법들을 도시한다.
도 25a 내지 25h는 일부 실시예들에 따른, 원자들의 2차원 순서화를 위한 방법들을 도시한다.
도 26은 일 실시예에 따른, SLM으로 생성된 트랩 어레이의 이미지를 도시한다.
도 27은 일 실시예에 따른, 광간 위상 패턴을 도시한다.
도 1a 내지 1f는 일부 실시예들에 따른, 원자 어레이를 준비하기 위한 시스템 및 방법의 양태들을 도시한다.
도 2a 내지 2b는 일부 실시예들에 따른, 결정상(crystalline phase)들의 위상 다이어그램 및 축적을 도시한다.
도 3a 내지 3c는 일부 실시예들에 따른, 본 개시에 설명된 방법들과 시뮬레이션의 비교를 도시한다.
도 4a 내지 4b는 일부 실시예들에 따른 스케일링 행동(scaling behavior)를 도시한다.
도 5a 내지 5d는 일부 실시예들에 따른, 단열적 진화 전후의 원자 어레이들 및 그 특성들을 도시한다.
도 6a 내지 6d는 일부 실시예들에 따른, 다체 역학(many-body dynamics)에서의 진동들의 그래픽 표현을 도시한다.
도 7a 내지 7d는 일부 실시예들에 따른, 단일 원자 배치 및 조작을 위한 제어를 특징으로 하는 시스템들 및 그래프들을 도시한다.
도 8a 내지도 8c는 일부 실시예들에 따른, 단일 원자 코히어런트 및 위상 제어를 특징으로 하는 그래프들을 도시한다.
도 9a 내지 9c는 2개의 원자들로 얽힘 발성을 특징으로 하는 그래프들을 도시한다.
도 10은 일 실시예들에 따른, 동적 디커플링을 통한 얽힌 상태 수명의 연장을 나타내는 그래프를 도시한다.
도 11a 내지 11b는 일부 실시예들에 따른, 최대 독립 세트들을 포함하는 독립 세트들의 예들을 도시한다.
도 12는 일 실시예에 따른, 단위 디스크 그래프의 예를 도시한다.
도 13a 내지 13b는 일부 실시예들에 따른, 독립 세트를 찾는 최대 독립 세트 확률 분포를 나타내는 단위 디스크 그래프의 예를 도시한다.
도 14는 일 실시예에 따른, 원자들의 2차원 순서화를 위한 시스템을 도시한다.
도 15a 내지 15h는 일부 실시예들에 따른, 원자들의 2차원 순서화를 위한 방법들을 도시한다.
도 16은 일 실시예에 따른, 원자들의 2차원 순서화를 위한 시스템을 도시한다.
도 17a 내지 17e는 일부 실시예들에 따른, 원자들의 2차원 순서화를 위한 방법들을 도시한다.
도 18a 내지 18h는 일부 실시예들에 따른, 원자들의 2차원 순서화를 위한 방법들을 도시한다.
도 19a 내지 19b는 일 실시예에 따른, 원자들의 2차원 순서화를 위한 시스템을 도시한다.
도 20a 내지 20c는 일부 실시예들에 따른, 원자들의 2차원 순서화를 위한 방법들을 도시한다.
도 21a 내지 21b는 일부 실시예들에 따른, 원자들의 2차원 순서화를 위한 방법들을 도시한다.
도 22a 내지 22p는 일부 실시예들에 따른, 원자들의 2차원 순서화를 위한 시스템들을 도시한다.
도 23은 일 실시예에 따른, 원자들의 2차원 순서화를 위한 시스템을 도시한다.
도 24a 내지 24e는 일부 실시예들에 따른, 원자들의 2차원 순서화를 위한 방법들을 도시한다.
도 25a 내지 25h는 일부 실시예들에 따른, 원자들의 2차원 순서화를 위한 방법들을 도시한다.
도 26은 일 실시예에 따른, SLM으로 생성된 트랩 어레이의 이미지를 도시한다.
도 27은 일 실시예에 따른, 광간 위상 패턴을 도시한다.
양자 시뮬레이터로서, 완전히 제어된, 코히어런트 다체(many-body) 양자 시스템들은 강하게 상관된 양자 시스템들 및 양자 얽힘(quantum entanglement)의 역할에 대한 독특한 통찰력을 제공할 수 있으며, 평형을 벗어나도 물질의 새로운 상태들에 대한 실현 및 연구를 가능하게 한다. 이러한 시스템들은 또한 양자 정보 프로세서들의 실현을 위한 기초를 형성한다. 이러한 프로세서들의 기본 빌딩 블록들이 몇 개의 결합 큐비트(coupled qubit)들의 시스템들에서 입증되었지만, 현대 클래식 머신들의 범위를 벗어난 태스크들을 수행하기 위해 코히어런트한 결합 큐비트들의 수를 증가시키는 것은 어려운 일이다. 게다가, 현재의 시스템들은 완전한 양자 역학을 달성하기 위한 코히어런스(coherence) 및/또는 양자 비선형성(nonlinearity)이 부족하다.
중성 원자들은 대규모 양자 시스템들의 빌딩 블록들의 역할을 할 수 있다. 이들은 환경으로부터 잘 격리될 수 있으며, 이에 따라 수명이 긴(long-lived) 양자 메모리들을 가능하게 한다. 그들 내부 및 운동 상태들의 초기화, 제어 및 판독은 지난 40년 동안 개발된 공명 방법들에 의해 달성된다. 다수의 동일한 원자들을 갖는 어레이들은 단일 원자 광학 제어를 유지하면서 신속하게 조립될 수 있다. 이러한 상향식 접근법들은 증발 냉각(evaporative cooling)을 통해 준비된 초저온 원자들이 로딩된 광학 격자들을 포함하는 방법들에 상보적이며, 일반적으로 수 마이크로미터의 원자 분리를 초래한다. 양자 시뮬레이션 및 양자 정보 프로세싱을 위해 이러한 어레이들을 이용하기 위해 원자들 간의 제어 가능한 상호작용이 도입될 수 있다. 이는 강한, 장거리 상호작용들을 나타내는 고도로 여기된 리드베르그(Rydberg) 상태들로의 코히어런트한 결합으로 달성될 수 있다. 이 접근법은 고속 멀티 큐비트 양자 게이트들, 최대 250개의 스핀을 가진 이징 유형(Ising-type) 스핀 모델들의 양자 시뮬레이션들, 및 메조스코핑 앙상블(mesoscopic ensemble)에서의 집단적 비헤이비어의 연구를 포함하여, 많은 어플리케이션들을 위한 강력한 플랫폼을 제공한다. 이러한 리드베르그 여기와 관련된 짧은 코히어런스 시간과 상대적으로 낮은 게이트 충실도는 어려운 일이다. 이 불완전한 코피어런스는 양자 시뮬레이션들의 품질을 제한할 수 있으며, 중성 원자 양자 정보 처리에 대한 전망을 흐리게 할 수 있다. 제한된 코히어런스는 단일 고립 원자 큐비트들의 레벨에서도 명백해진다.
본 개시는 양자 컴퓨팅에 관한 실시예들을 설명한다. 일부 실시예들에 따르면, 양자 컴퓨팅을 위한 방법들 및 시스템들은 먼저 개별 원자들을 트랩하고, 이들을 예를 들어, 개시된 음향 광학 디플렉터 시스템 및 기술을 사용하여, 복수의 원자들의 특정 기하학적 구성들로 배열하는 것을 포함한다. 개별 원자들의 정확한 배치를 허용하는 시스템들 및 방법들은 양자 컴퓨팅 문제를 인코딩하는 데 도움이 된다. 다음으로, 배열된 원자들 중 하나 이상이 리드베르그 상태로 여기될 수 있으며, 이는 아래에 설명된 바와 같이, 어레이의 원자들 사이에서 특정한 상호작용을 생성한다. 다음으로, 시스템이 진화될 수 있다. 마지막으로, 인코딩된 문제에 대한 해결책을 관찰하기 위해 원자들의 상태가 판독될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 본원에 기술된 시스템 및 방법들은 (1) 원자들을 1D 및/또는 2D 어레이들로 배열하고(섹션 1 참조), (2) 원자들을 리드베르그 상태로 여기시키고 원자 배열을 예를 들어, 본원에 설명된 레이저 조작 기술 및 고충실도 레이저 시스템들을 사용하여 진화시키고(섹션 2 참조), (3) 결과적인 최종 상태를 관찰하는 것(섹션 3 참조)에 관한 것이다. 추가로, 조립된 원자 배열에 대한 충실도 및 코히어런트한 제어를 제공하기 위한 것과 같이, 본원에 설명된 시스템 및 방법들에 대한 추가 개선 사항들은 섹션 4에 설명되어 있다. 또한, 섹션 5에서, 본원에 설명된 시스템 및 방법들을 사용하여 해결될 수 있는 예시적인 문제들이 논의된다.
섹션 1: 원자들을 1D 및/또는 2D 어레이들로 배열
일부 실시예들에 따르면, 중성 원자들의 상태들 및 위치들은 양자 컴퓨팅에 의해 해결할 수 있는 문제들을 인코딩하기 위해 원자들을 어레이들로 배열하도록 진공에서 포커스 레이저들을 사용하여 엄격하게 제어될 수 있다. 본 개시에 설명된 시스템 및 그 방법은 앞서 보고된 것보다 더 많은 수의 원자들의 제어를 제공하며, 이는 이러한 양자 시스템들에 의해 해결 가능한 문제 세트를 상당히 확장시킨다. 이러한 원자들은 예를 들어 음향학상으로 여기된 결정체(들) 및 레이저(들)를 사용하여 1D 또는 2D 어레이들로 준비될 수 있다. 본 개시에 설명된 시스템들 및 방법들은 이러한 1D 또는 2D 어레이들에서 개별 원자들의 위치를 미세하게 제어할 수 있게 한다.
원자들의 초기 상태들은 본 개시에 설명된 기술들에 따라 준비될 수 있으며, 그런 다음 시스템은 용액을 생성하도록 단열적으로 진화될 수 있다. 따라서, 시스템은 주어진 초기 파라미터들에 대해 최저 에너지 상태로 준비될 수 있으며, 그런 다음 시스템이 순간적인 최저 에너지 상태로 유지될 수 있도록 충분히 천천히 최종 값들로 진화된다. 더욱이, 도 7 내지 10에 도시된 바와 같은 일부 실시예들에 따르면, 특정 레이저 제어 기술들은 개별 원자들이 1D 또는 2D 어레이들로 배열된 후 개별 원자들의 충실도 및 코히어런트 제어를 허용한다. 이러한 기술들은 양자 역학적 시스템에 대해 더 큰 제어를 할 수 있게 하며, 이에 따라 인코딩된 문제들에 대한 보다 정확한 솔루션들을 생성한다.
섹션 1.A: 원자들을 1D 어레이들로 배열하기 위한 음향 광 디플렉터
일 실시예에 따르면, 포지셔닝 시스템 및 방법은 초기 문제로 인코딩될 다수의 원자들, 예를 들어 51 이상의 원자들의 준비를 제공한다. 레이저는 결정체를 통과할 수 있으며, 이는 적용된 톤 주파수들에 대응되는 레이저 경로의 불연속 편향을 생성하도록 하나 이상의 개별 음향 톤들(결정체를 진동시키는 톤 주파수들)로 제어될 수 있다. 편향들의 수는 결정체에 제공된 톤 주파수의 수에 의해 제어될 수 있다. 톤 주파수들은 예를 들어 75MHz와 125MHz 사이에서 선택된, VHF 대역의 전자 무선 주파수 신호들이다. 톤 주파수들은 주파수가 좁은 음파들을 포함할 수 있다. 복수의 톤 주파수들은 복수의 톤들을 포함하는 신호를 생성하도록 오버랩될 수 있다. 그런 다음, 이러한 톤 주파수들은 결정체에 압축 또는 진동을 유발하도록 결정체에 인가될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 이러한 톤 주파수들은 예를 들어 결정체에 본딩될 수 있는 하나 이상의 압전 트랜스듀서들을 사용하여 결정체에 제공될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 톤 주파수들은 결정체의 음향 및/또는 다른 속성들에 기초하여 선택될 수 있다. 더욱이, 각각의 개별 톤의 주파수를 조정하면 각각의 개별 편향에 대한 편향의 양을 조정할 수 있으며, 이로써 각각의 편향된 광 빔 사이에 제어 가능한 간격을 생성할 수 있다. 톤 주파수들은 예를 들어 컴퓨터 컨트롤러에 의해 생성된 디지털 파형으로부터 소프트웨어 정의 무선(software-defined radio; SDR)에 의한 아날로그 신호로 변환될 수 있으며, 또는 시간 영역에서 모든 원하는 톤 주파수들의 중첩을 합성하는 임의의 파형 생성기가 구현될 수 있다. 주파수들은 컴퓨터 컨트롤러에 의해 출력된 디지털 파형들을 업데이트함으로써 조정될 수 있다.
사용된 톤 주파수들은 제한하는 것은 아니나, 요구되는 편향의 수, 사용중인 특정 결정체, 결정체에 적용된 광의 파장, 및 구석 영역들/트랩들의 원하는 간격과 같은 수많은 요인들에 따라 달라진다. 결정체에 적용된 음파의 주파수 범위는 결정체 물질의 음속에 기초한 한계들이 있을 수 있으며, 예를 들어 50 내지 500 MHz일 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 대략 75 내지 125 MHZ 범위의 개별 주파수들의 세트가 사용될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 100 개의 트랩들은 개별 톤 주파수들을 약 ~ 0.5MHz 간격으로 생성될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 트랩들의 간격으로 개별 톤 주파수들을 조정할 때, 적용된 음향 주파수의 함수로서의 각도는 대략 0.1 내지 10 mrad/MHz 정도일 수 있다. 한 예시적인 값은 대략 1.2 mrad/MHz 일 수 있다. 그러나, 이 값은 단지 예시적인 것일 뿐, 사용된 특정 결정체 및 광학계에 기초하여 현저하게 변한다.
결정체로부터의 출력 레이저 어레이 빔들은 냉각된 원자들의 클라우드로 포커싱될 수 있다. 원자들은 모든 방향으로의 원자 모션을 카운터링하고 사중 극자 필드(quadrupole field)의 중심에 복원력을 생성하는 공간 종속적인 방사 압력을 유도하기 위해 자기 사중 극자 필드로, 추가적인 역 전파 레이저 빔들의 방사 압력에 의해 냉각될 수 있다. 출력 레이저 어레이는 각 레이저 어레이 빔이 단일 원자만을 트랩핑할 수 있도록 포커싱될 수 있다. 그런 다음, 클라우드가 분산되어, 트랩핑된 원자들만 남을 수 있다. 그런 다음, 예를 들어, 원자들에 의한 광 산란에 기초하여, 트랩 내의 원자들에 대한 이미지가 얻어질 수 있다. 그런 다음, 측정 및 피드백 과정에서, 트랩핑된 원자들은 예를 들어, 트랩들에 로딩된 원자들의 다수의 이미지들을 한 번 평균화함으로써 결정체에 제공된 개별 톤 주파수들과 상관될 수 있다. 수립된 위치들이 개별 톤 주파수들에 기록 및 할당될 수 있다. 원자들을 트랩들로 후속 로딩 시, 트랩핑된 원자들과 상관없는 톤 주파수들은 이미지를 얻고 원자 형광이 없는 트랩 위치들을 찾은 이후 턴 오프될 수 있다. 그런 다음, 나머지 톤 주파수들(예를 들어, 턴 오프되지 않는 톤 주파수들) 각각은 나머지 트랩핑된 원자들을 위치시키기 위해 각각의 톤 주파수를 조정함으로써 스윕될 수 있다. 따라서, 일부 실시예들에 따르면, 각각의 구속 영역이 원자를 트랩핑하지 않더라도, 시스템은 원하는 배열 간격을 형성하도록 구속 영역을 재배치하기 위해 조정될 수 있다. 이러한 기술들 및 시스템들은 51개 이상의 원자들과 같이, 어레이에 확실하게 트랩핑될 수 있는 원자들의 수를 현저히 향상시키고, 이격된 원자들의 정확한 제어를 가능하게 할 수 있다. 어레이에 원자들을 배열한 후, 시스템은 아래에서 보다 상세히 논의되는 바와 같이 여기 및 진화될 수 있으며, 인코딩된 문제에 대한 해결책을 읽기 위해 결과적인 변화들이 관찰된다.
도 1c 내지 1e는 일 실시예에 따른, 원자 어레이를 배열 및 진화시키기 위한 실험 프로토콜 및 설정을 도시한다. 도 1e는 일부 실시예들에 따른, 원자 어레이를 배열 및 제어하기 위한 시스템의 개략도를 도시한다. 도 1e에 도시된 바와 같이, 시스템은 결정체(102), 트위저 레이저 소스(106), 음향 톤 생성기(104) 및 조작 레이저 소스들(108A, 108B)을 포함할 수 있다. 음향 톤 생성기는 결정체(102)에 적용되는 하나 이상(n)의 톤 주파수들을 생성한다. 트위저 레이저 소스(106)는 결정체(102)에 광을 공급한 다음, 하나 이상의 톤 주파수들 중 하나와 각각 연관된 트위저 어레이(107)를 형성하는 n개의 개별 트위저 빔들로 편향된다. 각각의 개별 톤 주파수의 주파수는 각각의 트위저 빔의 편향을 결정한다. 트위저 빔들은 원자들(190)을 트랩핑하는데 사용될 수 있다. 개별 톤 주파수들은 원자들(190)의 간격을 조정하기 위해 주파수에서 조정될 수 있다. 그런 다음, 원자들(190)은 시스템을 진화시키기 위해 조작 레이저 소스들(108A 및 108B)에 의해 조작될 수 있다.
먼저, 도 1d에 도시된 바와 같이, 단계 110에서, 원자들은 광자기(magneto-optical) 트랩(도시되지 않음)으로부터 예를 들어, 결정체(102) 및 음향 톤 생성기(104)를 포함하는 음향 광 디플렉터(acousto-optic deflector; AOD)에 의해 생성된 트위터 어레이(107)로 로딩된다. 예를 들어, 상기에 논의된 바와 같이, 원자들의 클라우드는 예를 들어 광자기 트랩에서 준비될 수 있다. AOD는 1D 트위저 어레이(107)를 생성하도록 음향 톤 생성기(104)를 통해 복수의 톤 주파수들을 결정체(102)에 제공한다. 각 레이저 트위저는 결정체에 적용된 하나의 개별 톤 주파수와 관련된다. 그런 다음, 원자들은 결정체(102)에 적용된 톤 주파수들과 관련된 트위저들에 개별 원자들(190)을 트랩핑하기 위해 트위저 어레이(107)로 가져올 수 있다((또는 반대로 될 수 있다). 도 1c에 도시된 바와 같이, 로딩된 원자들의 간격은 적어도 두 가지 이유들로 임의적일 수 있다. 첫째, 모든 톤 주파수가 클라우드로부터 원자를 트랩핑시도록 보장되는 것은 아니다. 따라서, 특정 톤 주파수들은 원자들과 연관되지 않을 수 있다. 둘째, 톤 주파수들은 원자들을 트랩핑하기 위해 특별히 순서화된 상태로 준비될 필요는 없다. 따라서, 원자들(190)은 로딩 과정 전 및 로딩 과정 동안 임의의 주파수들(및 이에 따른 임의의 상대적 간격들)로 이격될 수 있다. AOD 트위저들에 원자들을 트랩핑시킨 후, 원자들의 클라우드가 분산될 수 있다. 상기에 설명된 측정 및 피드백 절차는 확률적 트랩 로딩과 관련된 엔트로피를 제거하는데 사용될 수 있으며, 50개 이상의 레이저 냉각 원자들을 갖는 결함 없는 어레이들의 신속한 생성을 초래한다.
다음으로, 단계 120에서, 트랩핑된 원자들(190)은 잘 정의된 내부 접지 상태(g)에서 미리 프로그래밍된 공간 구성으로 준비될 수 있다. 상기에 논의된 바와 같이, 어레이(190) 내의 각각의 원자는 결정체(102)에 적용된 톤 주파수들 중 하나와 연관될 수 있지만, 결과적인 트랩들 전부가 트랩핑된 원자들에 의해 점유될 수는 없다. 트랩핑된 원자들은 이미지화될 수 있으며, 원자들의 위치들은 톤 주파수들과 상관될 수 있다. 점유된 톤 주파수들은 기록되고 유지될 수 있는 반면, 점유되지 않은 톤 주파수들은 결정체(102)에 적용된 음향 톤 생성기(104)로부터의 음향 신호로부터 차단될 수 있다. 다음으로, 점유된 톤 주파수들은 원자들(190)을 예를 들어, 도 1c의 배열 행에 도시된 패턴들로 재배열하기 위해 조정될 수 있다. 트위저 어레이(107)(및 이에 따라 각각의 트위저)에서 각각의 편향된 레이저 빔의 상대적 간격은 해당 편향을 야기하는 특정 톤에 따라 달라지기 때문에, 트위저 어레이(107) 내에서 트위저들의 상대적 간격은 음향 톤 생성기(104)에 의해 공급된 개별 톤 주파수들을 조정함으로써 조정될 수 있다. 따라서, 각각의 트랩핑된 원자(190)는 그 관련 톤 주파수를 조정하?瀏館? 1D로 재배치될 수 있다. 도 1c에 도시된 바와 같이, 로드 위치에서 임의로 이격된 원자들은 특정 패턴, 예컨대 이 기술을 사용하여 7개의 원자들의 균일하게 이격된 그룹들로 배열될 수 있다.
단계 114에서, 광학 트랩들 또는 트위저들은 단일 진화 U(t)에 대한 트랩핑 가능성의 유해한 영향을 방지하면서 원자 모션을 무시할 정도로 충분히 짧은 시간 내에 단일 시간 진화 U(Ω, Δ, t) 하에서 시스템이 진화하게 하기 위해, 예를 들어 트위저 레이저 소스(106)를 차단시킴으로써 턴 오프될 수 있다. 진화 U(t)는 도 1a 및 단계 116에 도시된 바와 같이, 원자들을 어레이 축을 따라 레이저 광으로 리드베르그 상태 |r〉= |70S1/2〉에 결합시킴으로써 실현될 수 있다. 도 1e에 도시된 바와 같이, 하나 이상의 조작 레이저들(108A, 108B)로부터의 레이저 광은 진화 동안 원자 어레이(190)에 적용될 수 있다. 이는 함수 U(t)의 어플리케이션으로서 도 1c에 도시되어 있다. 다양한 제어 기술들이 예를 들어, 아래의 도 7 내지 10을 참조하여 본 개시 전반에 걸쳐 논의된다. 개별 원자들의 최종 상태들은 트랩을 다시 턴 온시키고, 예를 들어 카메라를 사용하여 원자 형광을 통해 다시 캡쳐된 접지 상태 원자들을 이미징하는 반면, 트랩핑되지 않은 리드베르그 원자들은 방출됨으로써 단계 118에서 검출된다. 이는 도 1c의 검출 라인에 되어 있으며, 여기서 점(dot)들은 현재 접지 상태 원자들과 관련된 원자 형광을 나타내고, 원들은 원자들이 리드베르그 여기로 인해 소실되는 부위들을 표시한다.
섹션 1.B: 보다 복잡한 문제를 인코딩하기 위한 원자들의 2차원 순서화
일부 실시예들에 따르면, 본 개시에 설명된 기술들은 2D 기하학적 구조로 배열된 수백 개의 개별 원자들의 어레이들을 준비하도록 적용 및 적응될 수 있다. 원자들의 2D 어레이들은 1D 어레이들보다 광범위한 문제들을 해결하는데 사용될 수 있다. 본 개시에 설명된 기술들 및 시스템들 중 일부는 1D 어레이들을 참조하지만, 이들은 아래에 설명된 2D 어레이 시스템들 및 방법들을 사용하여 2D 어레이들에 적용될 수 있다. 레이저 제어 시스템 및 원자들을 리드베르그 및 아래에 설명된 다른 양자 상태들로 제어 및 조작하는 방법들과 결합하여, 제한하는 것은 아니나, 본 개시에 설명된 최대 독립 세트 최적화 문제들과 같은 실제 문제들을 해결하도록 양자 최적화 알고리즘들이 구현될 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 본 개시에 설명된 시스템들 및 방법들은 2D로 다수의 트랩들의 생성을 제공한다. 원자들이 이러한 트랩들에 로딩되는 경우, 원자들이 ~ 0.5의 유한 확률로 각 트랩에 로딩된다. 그런 다음, 1D로 수행된 절차는 그 위치들을 식별한 후 원자들을 소팅(sort)할 수 있다. 일부 추가 실시예들에 따르면, 이러한 소팅(또는 '재배열') 절차는 트랩들의 2D 어레이들에 적용될 수 있다.
상호 AOD들: 일부 실시예들에 따르면, AOD(Acousto-Optic Deflector)를 사용하여 1D 패턴을 생성하기 위해 한 방향으로의 단일 빔의 복수의 사본들이 생성될 수 있다(AOD 작동에 대한 설명은 위를 참조). 그런 다음, 2D 패턴을 생성하기 위해 다른(예를 들어, 수직) 방향으로 1차원 시스템의 사본들을 생성하는데 제2 AOD가 사용될 수 있다. 다른 방향들이 고려된다. 다음으로, 원자들은 이 패턴에 로딩될 수 있으며, 가장 많은 수의 빈 트랩들을 포함하는 행들 또는 열들에 대응하는 AOD들 중 어느 하나에서의 주파수를 연속적으로 턴 오프시킴으로써 결함들이 제거된다. 다음으로, 주파수들은 완전히 로딩된 패턴을 타겟 2D 어레이로 재형성하기 위해 두 AOD 모두에서 수정될 수 있다.
도 14에 도시된 바와 같이 두 AOD들(1410 및 1420)은 서로 근접하게 배치될 수 있으며 일부 실시예에 따른, 트랩들의 2D 세트를 생성하는데 사용될 수 있다. 각각의 AOD(1410 및 1420)는 적용된 특정 톤 주파수들에 따라 입사광(1440)을 분할하기 위해 각각 RF 신호들(1450A 및 1450B)에 의해 구동되는 음향 드라이버들을 가질 수 있다. AOD(1410)로부터 출력된 1D 광 어레이가 AOD(1420)에 입사함에 따라, AOD(1420)는 1D 어레이의 각 빔을 다른 방향으로의 추가 빔들로 더 분할할 수 있다. 도 14에 도시된 바와 같이, AOD들(1410 및 1420)은 서로에 대해 상대 각도, 예를 들어 90도로 유지될 수 있다. 2개의 AOD들(1410 및 1420) 사이의 상대 각도는 2D 트래핑 패턴의 "행들" 및 "열들"의 상대적인 배향을 결정한다. 예를 들어, 서로 수직인 2개의 AOD들(1410 및 1420)은 사각형 패턴(1430)을 생성할 수 있으며; 상대 각도가 60도인 2개의 AOD들은 삼각형 패턴(도시되지 않음)을 생성할 수 있다. 이러한 절차는 모든 "행들"이 서로 동일하고 모든 "열들"이 서로 동일한 어떠한 기하학적 형상을 생성할 수 있다. 원자들은 이 기술을 사용하여 생성된 트랩 세트로 로딩될 수 있다. 나머지 트랩들이 원하는 패턴의 원자들을 포함할 수 있다는 것을 보장하기 위해 개별 "행들"(AOD1) 및 "열들"(AOD2)과 관련된 주파수들이 턴 오프될 수 있다. 각각의 AOD들에서의 주파수 세트는 원자들을 "열들"과 "행들"사이의 임의의 거리들의 최종 구성으로 전송하도록 수정될 수 있다.
도 15a 내지 15d는 일부 실시예들에 따른, 도 14에 도시된 시스템을 사용하여 복수의 원자들을 2D 어레이에 트랩핑하는 절차를 도시한다. 특히, 도 15a 내지 15d는 모두 원자들로 채워지는 트랩들의 3x3 어레이를 생성하기 위한 절차를 도시한다. 일부 공간들이 비어 있는 곳과 같은 기타 구성들을 생성하는데 유사한 기술들이 사용될 수 있음을 이해해야 한다. 도 15a는 6개의 행들과 6개의 열들을 갖는 정사각형 트랩 구성(1510a)을 생성하기 위해 AOD들(1410 및 1420)의 출력을 직각으로 도시한다. 트랩들의 위치는 정사각형 패턴(1510)에서 직선들(1520)의 교차로 표시되며, 원자들은 채워진 원들(1530)로 표시된다. 도 15b는 3개의 트랩핑된 원자들을 갖는 각각의 나머지 행과 열을 남겨두고 제거될 수 있는 "Xs"로 표시된 행들 및 열들(1540)을 갖는 어레이(1510B)를 도시한다. 도 15c는 행들 및 열들(1540)이 없는 어레이(1510C)를 도시하며, 이는 AOD들(1410 및 1420) 중 하나에 적용된 관련 톤 주파수들을 떨어뜨림으로써 본원에 설명된 바와 같이 떨어질 수 있다. 나머지 행들 및 열들의 주파수들은 도 15d에 도시된 바와 같이 3x3 원자 어레이(1510D)의 균일한 간격을 생성하기 위해 방향들(1550)로 모션을 유발하도록 조정될 수 있다. 이러한 기술들은 더 큰 어레이들로 스케일 업 될 수 있으며, 라인들의 모든 교차점들(즉, 트랩들)이 채워지지 않는 구성들을 생성하는데 사용될 수 있음을 이해해야 한다. 일부 실시예들에 따르면, 행들 및 열들은 교차점에서 정확히 하나의 원자의 위치를 제어하기 위해 쌍을 이룬다. 원자들은 관련된 행들/열들의 주파수들을 조정함으로써 원하는 패턴으로 배열될 수 있다.
도 15e는 랜덤하게 로딩된 8x8 어레이의 인스턴스를 도시한다. 원자들의 형광은 존재하는 원자들의 위치로부터 유추될 수 있는 기본 패턴으로 어두운 점들로 표시된다. 도 15f 내지 15h는 랜덤하게 로딩된 2x40 어레이를 도시하며, 여기서 트랩핑된 원자들의 형광은 어두운 영역들로 도시된다. 도 15g의 크로스 표시들은 턴 오프된 모든 "열들"을 나타낸다. 도 15h의 최종 형광 이미지는 원자들을 2x18 완전히 로딩된 어레이로 재배열된 후 새로운 위치들에서 어두운 영역들로 도시한다.
두 쌍의 상호 AOD들에서의 행 별 재배열: 일부 실시예들에 따르면, 상기에 설명된 바와 같은 두 세트의 AOD 쌍들은 2D 어레이를 로딩하기 위한 트위저들의 2차원 어레이를 생성하는데 사용될 수 있다. 도 16에 도시된 바와 같이, 두 개의 AOD 쌍들(1600A 및 1600B)가 사용될 수 있다. AOD 쌍(1600A)은 서로 가까운 AOD들(1610A, 1620A)를 포함할 수 있으며, 2D 트랩 세트(1630A)를 생성하는데 사용된다. 2개의 AOD들(1610A 및 1620A) 사이의 상대 각도는 상기에 논의된 바와 같이, 2D 트래핑 패턴(1630)의 "행들" 및 "열들"의 상대 배향을 결정한다. 원자들은 AOD들(1410 및 1420)을 참조하여 상기에 논의된 바와 같은 이러한 방식으로 생성된 트랩 세트로 로딩될 수 있다. 다른 AOD 쌍(1600B)(쌍 2)은 AOD들(1610B, 1620B)를 사용하여 다른 트랩 세트(1630B)를 생성하는데 사용된다. 이러한 트랩들은 쌍 1로 생성된 트랩들과 오버랩될 수 있다. 이는 제한하는 것은 아니나, 세미-반사 표면(예를 들어, 비편광 빔 스플리터), 하나의 광 편광을 전송하고 수직한 광을 반사하는 표면(예를 들어, 편광 빔 스플리터), 일부 파장들에서 광을 전송하고 다른 파장들에서 반사하는 광학 소자(예를 들어, 이색성)과 같은 광학 소자(1660)을 사용하거나, 또는 두 트랩 세트들이 서로 다른 방향에서 와서 초점들에서 만남으로써 달성될 수 있다. 재배열에 사용된 트랩 세트(쌍 2)는 예를 들어, 빔 당 더 많은 광 전력을 갖거나, 원자 공진에 더 가까운 파장을 갖거나, 더 작은 초점(광범위한 목록이 아니며, 이러한 효과들의 조합들이 사용될 수 있음)을 가짐으로써 로딩에 사용된 것(쌍 1)보다 더 강한 구속을 생성하도록 조정될 수 있다. 도 17a는 AOD 쌍(1600A)을 통해 형성된 트랩 어레이를 도시하며, 여기서 트랩들은 선 교차점들이고 도트들은 트랩핑된 원자들을 나타낸다. AOD 쌍(1600A)으로 생성된 트랩들로부터 "행" 또는 "열"의 상단에 AOD 쌍(1600B)으로 생성된 트랩 라인(도 17b의 원들)을 오버랩하는 것은 "행" 또는 "열" 내의 모든 원자들이 AOD 쌍(1600B)으로 생성된 트랩들에 의해 주로 제어되게 할 수 있다. 추가로, 일부 실시예들에 따르면, AOD 쌍(1600B)으로부터의 트랩들이 "행" 또는 "열"과 오버랩되면, AOD 쌍(1600A)의 특정 "행" 또는 "열"을 턴 오프시키는 것이 가능하다. AOD 쌍(1600B)로 생성된 트랩들은 이제 1D 경우(도 17c 참조)에 대해 설명된 절차를 사용하여 재배열될 수 있다. 재배열 후, AOD 쌍(1600A)으로부터의 특정 "행" 또는 "열"이 턴 오프된 경우, AOD 쌍(1600A)의 행(1)은 다시 턴 온 될 수 있다. AOD 쌍(1600B)으로 생성된 트랩들을 턴 오프하는 것은 이제 원자들이 AOD 쌍(1600A)으로 생성된 기본 트랩들(도 17D 참조)에 의해 새로운 위치들에 유지되게 할 수 있다. 이 절차는 이제, 새로운 트랩 세트가 AOD 쌍(1600B)으로 생성된 트랩들의 새로운 타겟 "행" 또는 "열"과 오버랩되는 AOD 쌍(1600B)으로 생성될 수 있도록, AOD 쌍(1600B) 내의 AOD들과 관련된 주파수들을 변경함으로써 AOD 쌍(1600A)으로 생성된 트랩들의 다른 "행" 또는 "열"에 대해 반복될 수 있다. 도 17e는 이 절차를 사용하여 모든 행들이 좌측으로 시프트된 후의 어레이를 도시한다. AOD 쌍(1600B)에 의한 조작이 1D에서만 요구되는 경우, AOD 쌍(1600B)은 단일 AOD로 대체될 수 있음을 이해해야 한다. 이 AOD(또는 AOD 쌍)은 "제어 AOD"로 지칭될 수 있는 반면, 트랩들을 유지하는데 사용되는 AOD 쌍(1600A)은 "홀드 AOD"로 지칭될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 홀드 AOD는 홀드 AOD에 기초한 해상도를 갖는 임의의 원하는 패턴을 생성하기 위해 제어 AOD의 제어에 의해 채워질 픽셀 세트로서 취급될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 트랩핑된 원자들은 전체 행들 또는 열들에 해당하지 않는 제어 AOD의 다른 구성들(예를 들어, 각 에지에 원자들을 갖는 정사각형)에 기초하여 이동된다.
유사한 절차가 도 18a 내지 18h와 관련하여, 그러나 제어 AOD를 통한 단일 원자의 이동과 함께 도시된다. 도 18a에 도시된 바와 같이, 홀드 AOD는 그 안에 트랩핑된 초기 원자 세트를 갖는다. 도 18b에 도시된 바와 같이, 개별 원자는 제어 AOD(원으로 도시됨)에 의해 선택된다. 도 18c는 개별 원자가 제어 AOD에 의해 이동된 다음, 도 18d의 제어 AOD를 턴 오프시킴으로써 해제되는 것을 도시한다. 도 18e에서, 다른 원자가 선택되고, 도 18f에서 이동된 다음, 도 18g에서 해제된다. 도 18h는 배열 후 홀드 AOD에 트랩핑된 어레이를 도시한다. 결과적인 원자 어레이는 더 높은 수율을 가질 수 있다.
일부 실시예들, 상기에 설명된 방법들은 또한 홀드 AOD의 행들 또는 열들을 턴 오프시키지 않고 수행될 수 있을 것이다. 대신, 제어 AOD는 홀드 AOD보다 더 깊은(더 강한) 트랩들로 형성될 수 있다. 따라서, 홀드 AOD 트랩과 오버랩되는 제어 AOD의 트랩이 이동될 때, 원자는 홀드 AOD에 의해 트랩핑되지 않은 것처럼 제어 AOD의 더 깊은 트랩을 따를 것이다. 그러나, 제어 AOD 트랩의 셧다운에 이어 다른 홀드 AOD 트랩으로 이동되면, 원자는 홀드 AOD에 의해 트랩 된 상태로 남아 있을 수 있다.
적층 AOD들: 일부 실시예들에 따르면, 복수의(N) AOD들이 서로의 위에 적층될 수 있다. 복수의 AOD들은 병렬로 사용되어 원자들을 트랩핑하고 재배열할 독립적인 1D 트랩 세트를 생성할 수 있다. 도 19a 및 19b는 상이한 1D 트랩 세트를 2D 패턴으로 결합하기 위한 예시적인 시스템을 도시한다. 도 19a에 도시된 바와 같이, 상부 각도에서 본 5개의 AOD 세트(1910)는 광 어레이를 다면 반사면(1920)으로 보내도록 정렬된다. 그런 다음, 광은 다면 반사면(1920)에서 광의 빔들을 집속시키는 렌즈들(1930)로 반사된다. 도 19b는 동일한 소자들을 측면도로 도시한다. 다면 반사면(1920)은, 예를 들어, 연마된 반사 기판, 몇몇 반사면들의 조합, 이전의 2개이지만 반사 물질로 코팅된 비반사 기판, 변형 가능한 미러 또는 미러 어레이일 수 있다(목록은 광범위하지 않다). AOD들(1910)로부터의 각각의 1D 트랩 세트는 다면 반사면(1920)을 통해 방향 전환될 수 있다. 가변 밀도 또는 폭의 유전체, 또는 홀들이 있거나 뚜렷한 굴절률로 교차 구간이 있는 패턴화된 유전체, 또는 다른 적절한 표면들과 같은 투과성 다면 표면이 또한 사용될 수 있다. 이러한 구조는 잘 정의된 볼륨으로 오버랩되는 복수의 빔들의 파면과 동일한 파면을 만드는데 사용될 수 있다. 렌즈(1930)는 원하는 평면에 모든 빔들을 집속시키는데 사용될 수 있다. 각각 독립적인 1D 패턴 트랩을 생성하는 N개의 독립적인 AOD들(1910)를 사용하여, 이러한 트랩들에 원자들을 로딩하고, 원하는 패턴으로 원자들을 위치시키기 위해 원하는 방식으로 각각의 독립적인 1D 트랩 세트를 재배열하는 것이 가능하다. 모든 1D 트랩 세트의 재배열은 동시에 또는 임의의 원하는 순서로 발생할 수 있다.
도 20a 내지도 20c는 일부 실시예들에 따른, 19a 내지 19b의 시스템을 동작시키는 방법들을 도시한다. 도 19a에 도시된 바와 같이, 6x6 트랩 어레이가 생성된다. N개의 행들은 1D AOD들(2010A-2010N)(이 경우 6개)에 해당한다. AOD들(2010A-2010N)으로부터의 독립적인 1D 트랩 세트는 직선으로 연결된 작은 빈 원들로 표시되고 원자들은 채워진 원들로 표시된다. 도 19b에 도시된 바와 같이, 정사각형 6x6 트랩 어레이가 랜덤하게 로딩된다. 도 19c에 도시된 바와 같이, 트랩들은 각 1D 트랩 세트의 왼쪽에 있는 모든 원자들을 수집하기 위해 재배열된다. 재배열은 각각의 AOD들(2010A-2010N)에 대한 트랩들과 연관된 톤 주파수들을 조정함으로써 발생할 수 있다. 이러한 개별 AOD 어레이들은 상기에 설명된 바와 같이 제어 및/또는 홀드 AOD들로서 구현될 수 있음을 이해해야 한다.
SLM에서의 트랩 생성 및 상호 AOD들로 재배열: 일부 실시예들에 따르면, 공간 광 변조기(spatial light modulator; SLM)는 2D 트랩 어레이를 생성하는데 사용될 수 있다. SLM은 홀드 트랩 어레이로서 상기에 설명된 바와 같이 홀드 AOD 대신 사용될 수 있는 광 세기의 임의의 공간 패턴들을 생성하도록 광선의 파면을 수정하는데 사용될 수 있다. 프로그래밍 가능한 방식으로 파면을 변경하기 위해 투과되거나 반사된 광 필드(light field)의 로컬 세기(예: 디지털 마이크로 미러 장치, DMD), 위상(액정 온 실리콘, LCOS) 또는 둘 다에 영향을 미치는 각기 다른 유형들의 SLM들이 있다. 이러한 장치를 사용하여, 임의의 기하학적 구조를 갖는 2D 트랩 패턴이 생성될 수 있으며, 원자들은 상기에 논의된 바와 같이 예컨대, 제어 AOD 또는 제어 AOD들을 통해 이러한 방식으로 생성된 트랩 세트에 로딩될 수 있다. 도 21a는 반사형 SLM(2110A)이 홀드 SLM으로서 사용되고, 한 쌍의 AOD들(2120A)이 어레이(2130A)에서 원자들의 위치를 조작하는데 사용되는 실시예를 도시한다. 도 22b는 투과형 SLM(2110B)이 홀드 SLM으로서 사용되고, 한 쌍의 AOD들(2120B)이 어레이(2130B)에서 원자들의 위치를 조작하는데 사용되는 실시예를 도시한다. 일부 실시예들에 따르면, 한 쌍의 AOD들(2120A 또는 2120B)은 원자들이 로딩된 다른 트랩 세트를 생성하는데 사용될 수 있다. 도 22a 및 22b에 도시된 트랩들(2130A 또는 2130B)는 SLM으로 생성된 트랩들과 오버랩될 수 있다. 이는 예를 들어, 세미-반사 표면(예: 비편광 빔 스플리터), 하나의 광 편광을 전송하고 수직한 광을 반사하는 표면(예: 편광 빔 스플리터), 일부 파장들에서 광을 전송하고 다른 파장들에서 반사하는 광학 소자(예: 이색성)과 같은 소자(2140)을 사용하거나, 또는 두 트랩 세트들이 서로 다른 방향에서 와서 초점들에서 만남으로써 달성될 수 있다. AOD(2120A 또는 2120B)로 생성된 재배치에 사용되는 트랩 세트는 예를 들어, 빔 당 더 많은 광 전력을 가짐으로써, 원자 공며에 더 가까운 파장을 가짐으로써, 및/또는 더 작은 포커스를 가짐으로써 로딩하는데 사용된 SLM(2110A 또는 2110B)로 생성된 것보다 더 강한 구속을 생성하도록 조정될 수 있다(광범위한 리스트가 아니며, 이러한 효과들의 조합들이 사용될 수 있다). SLM(2110A 또는 2110B)으로 생성된 트랩 서브셋의 위에 AOD 쌍(2120A 또는 2120B)으로 생성된 트랩 라인을 오버랩하는 것은, 해당 서브셋 내의 모든 원자들이 AOD 쌍으로 생성된 트랩들에 의해 주로 제어될 수 있게 한다. 따라서, AOD 쌍(2120A 또는 2120B)으로 생성된 트랩들은 이들이 SLM(2110A 또는 2110B)에 의해 생성된 다른 트랩들과 동시에 또는 순차적으로 오버랩되도록 트랩들의 2D 평면 내에서 재배열될 수 있다. AOD 쌍(2120A 또는 2120B)로 생성된 특정 트랩들을 턴 오프 하는 것은, 이들이 SLM(2110A 또는 2110B)에 의해 생성된 다른 트랩들과 오버랩되지만, 원자들이 SLM(2110A 또는 2110B)에서 생성된 기본 트랩들에 의해 새로운 위치들에 유지될 수 있게 한다. SLM(2110A 또는 2110B)이 트랩들 간 간격이 규칙적인 경우 도 17a 내지 18d 또는 18a 내지 18h에 도시된 것과 유사한 이 절차는, 새로운 트랩 세트가 SLM(2110A 또는 2110B)로 생성된 새로운 타겟 트랩 서브셋과 오버랩되는 AOD 쌍(2120A 또는 2120B)으로 생성될 수 있도록, AOD 쌍과 관련된 주파수들을 변경함으로써, SLM(2110A 또는 2110B)에 의해 생성된 트랩의 다른 트랩 서브셋에 대해 반복될 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, SLM(2110A 또는 2110B)에서의 트랩들의 위치는 별도의 임의적 및 규칙적인 위치들을 포함한다. 도 22a는 SLM(2110A 또는 2110B)의 임의의 부분에 의해 생성된 패턴을 도시하며, 이는 상단 근처에 작은 빈 원들로 표시된다. 더욱이, SLM(2110A 또는 2110B)의 규칙적인 부분에 트랩핑된 원자 어레이가 아래에 도시된다(둘 사이의 거리는 스케일링되거나 스케일링되지 않을 수 있다). 규칙적인 어레이에서 트랩들의 위치는 직선의 교차에 의해 표시되고 원자들은 채워진 원들로 표시된다. 일부 실시예들에 따르면, 제어 AOD(큰 빈 원들로 도시됨)는 도 22a 내지 22d에 도시된 바와 같이 임의의 어레이에 원자들을 재위치시키고, 규칙적인 어레이로부터 원자들을 취하여 도 22e 내지 22p에 도시된 바와 같이 재위치시키기 위해 이들을 임의의 어레이로 이동시키는데 사용될 수 있다. 다수의 원자들은 도 22e 내지 22f 및 22l 내지 22m에 도시된 바와 같이, 불규칙한 부분에 동시에 배치하기 위해 규칙적인 부분으로부터 이동될 수 있음을 주목한다. 불규칙한 부분으로 이동한 후, 먼저 도 22f 및 22m 내지 22n에 도시된 바와 같이, 제어된 원자들 사이의 수평 간격이 조정될 수 있다. 도 26은 LCOS-SLM에 의해 반사된 광선의 파면에 대응되는 위상 패턴이 각인된, 반사형 LCOS-SLM으로 생성된 30x50 규칙적인 트랩 어레이의 예시적인 예를 도시한다. 도 27은 단일 입력 빔을 30x50 트랩 어레이로 변환하기 위해 레이저 광 필드에 추가된 대응되는 공간 위상 패턴을 도시한다.
광학 격자의 생성 및 트랩들을 사용하여 그 안에서의 원자들의 재배열: 일부 실시예들에 따르면, 2D 트랩 어레이는 큰 격자 간격 광학 격자를 사용하여 대신 생성될 수 있다. 2개의 광원으로부터의 간섭은 광 세기의 패턴들을 생성할 수 있으며, 이는 광학 격자라고 불리는 차가운 중성 원자들을 트랩핑하는데 사용될 수 있다. 이러한 트랩들은 홀드 AOD 대신 홀드 트랩 어레이로서 기능할 수 있다. 따라서, 광학 격자는 트랩핑된 원자들을 유지하는데 사용될 수 있으며, 예를 들어, 도 17a 내지 17e(도 24a 내지 24e와 유사하게 도시됨) 및 도 18a 내지 18h(도 25a 내지 25h와 유사하게 도시됨)에 대해 설명된 방법들 및 시스템들과 같이, 광학 격자 내에서 원자들을 재배열하기 위해 상기에 설명된 바와 같은 제어 AOD와 조합될 수 있다. 도 23에 도시된 바와 같이, 광원들(2320)은 홀드 트랩 어레이를 형성하는 간섭 형태(2330)를 생성할 수 있다. AOD들(2310A, 2310B)은 간섭 형태(2330)에서 트랩핑된 원자들을 조작하는데 사용될 수 있다. AOD 쌍은 트랩 세트를 생성하는데 사용된다. 이러한 트랩들은 광학 격자의 트랩핑 영역들과 오버랩될 수 있다. 이는 예를 들어, 세미-반사 표면(예: 비편광 빔 스플리터), 하나의 광 편광을 전송하고 수직한 광을 반사하는 표면(예: 편광 빔 스플리터), 일부 파장들에서 광을 전송하고 다른 파장들에서 반사하는 광학 소자(예: 이색성)을 사용하거나, 또는 두 트랩 세트들이 서로 다른 방향에서 와서 초점들에서 만남으로써 달성될 수 있다. 재배열에 사용된 트랩 세트는 예를 들어, 빔 당 더 많은 광 전력을 갖거나, 원자 공진에 더 가까운 파장을 갖거나, 더 작은 초점(광범위한 목록이 아니며, 이러한 효과들의 조합들이 사용될 수 있음)을 가짐으로써 로딩에 사용된 광학 격자에 의해 제공된 것보다 더 강한 구속을 생성하도록 조정될 수 있다. 광학 격자로부터 "행" 또는 "열"의 위에 AOD 쌍으로 생성된 트랩 라인을 오버랩하는 것은, 해당 "행" 또는 "열" 내의 모든 원자들이 AOD 쌍으로 생성된 트랩들에 의해 주로 제어될 수 있게 한다. AOD 쌍으로 생성된 트랩들은 1D 경우에 설명된 절차를 사용하여 재배열될 수 있다. AOD 쌍으로 생성된 트랩들을 턴 오프 하는 것은 원자들이 기본 광학 격자에 의해 새로운 위치들에 유지될 수 있게 한다. 이 절차는, 새로운 트랩 세트가 광학 격자의 새로운 타겟 "행" 또는 "열"과 오버랩되는 AOD 쌍으로 생성될 수 있도록, AOD와 관련된 주파수들을 변경함으로써 광학 격자의 다른 "행" 또는 "열"에 대해 반복될 수 있다.
섹션 2. 여기 및 진화
일 실시예에 따르면, 배열된 원자 어레이들은 인코딩된 문제에 대한 답을 계산하기 위해 여기되고 진화될 수 있다. 원자들의 최외각 전자의 전이 에너지와 거의 동일한 광자 에너지를 갖는 레이저들은 원자들을 여기 상태로 전이시키기 위해 원자들 내 최외각 전자들을 여기시키는데 사용될 수 있다. 특정 레이저 제어 및 적용 기술들이 본 개시에서 더욱 상세히 설명된다. 원자들 간의 상호작용이 너무 강하여 일부 원자들만, 특히 특정 영역들의 일부 원자들만이 여기 상태로 전이될 수 있다. 예를 들어, 다른 여기된 원자에 근접하면 근처의 여기되지 않은 원자의 여기 에너지가 증가하여 근처의 원자의 전이가 일어나지 않을 수 있다. 원자들의 전이의 가능성은 개별 원자들 사이의 거리에 의해 초기에 제어될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 방출된 원자들은 트랩들으로부터 확산될 수 있으며, 나머지 원자들은 어느 원자들이 여기되지 않았는지를 결정하기 위해 이미지화될 수 있다. 이 최종 결과는 인코딩된 문제에 대한 해결책을 생성할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 원자 단위 어셈블리는 광학 트위저들에서 개별적으로 트랩핑된 차가운 중성 87Rb 원자들의 어레이를 결정적으로 준비하는데 사용될 수 있다. 도 1a에 도시된 바와 같이, 원자들(190) 사이의 제어된, 코히어런트 상호작용은 이들을 리드베르그 상태들에 결합시킴으로써 도입될 수 있다. 이는 거리(Rij)에서 리드베르그 원자 쌍들 사이의 반발성 반 데르 발스(van der Waals) 상호작용(Vi = C/R6, C > 0)을 초래한다. 이 시스템의 양자 역학은 다음 해밀턴 방정식(Hamiltonian Equation)(1)에 의해 설명된다:
여기서 Ωi는 개별 원자들과 관련된 라비(Rabi) 주파수들이고, Δi는 리드베르그 상태(도 1b 참조)로부터 구동 레이저의 디튜닝(detuning)이며, σi = |gi〉〈 ri| +|ri〉〈gi|는 위치 i에서 원자의 접지 상태 |g〉와 리드베르그 상태 |r〉사이의 결합 및 ni = |ri〉〈ri|을 설명한다. 일반적으로, 이 플랫폼 내에서, 제어 파라미터(Ωi, Δi)는 시간에 따라 레이저 세기 및 디튜닝을 변경함으로써 프로그래밍될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 균일한 코히어런트 커플링이 사용될 수 있다(|Ωi|= Ω, Δi = Δ). 상호작용 강도(Vij)는 원자들 사이의 거리를 변화시키거나 또는 원하는 리드베르그 상태를 신중하게 선택함으로써 조정될 수 있다.
접지 상태(|g〉) 및 리드베르그 상태(|r〉)는 양자 정보를 인코딩하기 위해 큐비트 상태들로 사용될 수 있다. 이러한 상태들 사이의 코히어런트 결합은 레이저 광에 의해 제공되며 큐비트들의 조작을 허용한다. 또한, 복수의 원자들의 리드베르그 상태들은 서로 강하게 상호작용하여, 공학적이고 코히어런트 상호작용을 가능하게 한다. 리드베르그 원자들 사이의 이러한 강력하고 코히어런트 상호작용은 리드베르그 상태들로 근처 원자들의 동시 여기를 방지하는 효과적인 제약을 제공할 수 있다. 도 1f는 때때로 리드베르그 봉쇄(Rydberg blockade)로도 불리는 이러한 효과를 도시한다. 리드베르그-리드베르그 상호작용(Vij)이 효과적인 라비 주파수(Ω)를 초과하도록 두 개의 원자들이 충분히 근접해 있을 때, 복수의 리드베르그 여기가 억제될 수 있다. 이는 Vij = Ω인 리드베르그 봉쇄 반경(Rb)을 제공한다(여기서 사용된 |r〉= |70S〉및 Ω = 2π x 2 MHz의 경우, Rb = 9 μm). a = 24 μm의 거리만큼 이격된 원자들의 공진 구동의 경우, 도 1f의 상단 곡선에 도시된 바와 같이 비-상호작용 원자들과 관련된 라비 진동이 관찰된다. 그러나, 복수의 원자들을 서로 가까이 가져 오면(a = 2.95 μm < Rb) 역학이 크게 변한다. 이 경우, 정확히 한 개의 여기 ~ ∑i Ωi |g1…ri…gN〉와 집단 라비 주파수의 특성 N1/2스케일링으로 접지 상태와 집단 W-상태 사이의 라비 진동이 관찰될 수 있다. 이러한 관찰은 시스템의 코히어런트 속성의 정량화를 허용한다. 특히, 도 1f의 라비 진동 대조는 대부분 상태 감지 충실도에 의해 제한된(r의 경우 93%, g의 경우 98%). 개별 라비 주파수들 및 디튜닝들은 어레이 전체에서 3% 이상으로 제어되는 반면, 코히어런스 시간은 궁극적으로 레이저 펄스 동안 상태 |e〉로부터의 자발적 방출 확률(산란 레이트 0.022/μs)에 의해 제한된다.
도 1a에 도시된 바와 같이, 개별 87Rb 원자들은 광학 트위저들을 사용하여 트랩핑되고 결함이 없는 어레이들로 배열된다. 원자들 사이의 코히어런트 상호작용(Vij)는 세기(Ω) 및 디튜닝(Δ)으로 원자들을 리드베르그 상태로 여기시킴으로써 가능해진다.
도 1b는 2개의 광자 프로세스가 원편광 420 nm 및 1013 nm 레이저(일반적으로 δ ~ 2π x 560 MHz >> ΩB, ΩR ~ 2π x 60, 36 MHz)를 사용하여 중간 상태 |e〉= |6P3/2, F = 3, mF = -3〉를 통해 접지 상태 |g〉= |5S1/2,F = 2, mF = -2〉를 리드베르그 상태 |r〉= |71S1/2,J = 1/2, mJ = -1/2〉에 결합시키는데 사용될 수 있음을 도시한다.
도 1c에 도시된 바와 같이, 실험 프로토콜은 원자들 트위저 어레이(1)에 로딩하고 이들을 사전 프로그래밍된 구성(2)으로 재배열하는 것을 포함할 수 있다. 이 이후, 시스템은 조정 가능한 파라미터들(Δ(t), Ω(t), Vij)로 U(t) 하에서 진화할 수 있다. 이는 몇몇 비-상호작용 서브 시스템들(3)에서 병렬로 구현될 수 있다. 최종 상태는 형광 이미징(4)을 사용하는 것과 같은 적절한 기술에 의해 검출될 수 있다.
도 1f에 도시된 바와 같이, 공진 구동(Δ = 0)의 경우, 격리된 원자들(상단 점들)은 |g〉와 |r〉사이의 라비 진동을 디스플레이한다. 완전히 차단된 클러스터 N = 2(중간 그림에 표시됨) 및 N = 3(하단 그림에 표시됨)에 원자들을 배치하면 원자들은 클러스터 내 원자들 간에 하나의 여기만 공유되는 반면, 라비 주파수는 N1/2로 향상된다. 복수의 여기들(중간 및 하단 점들)이 강력하게 억제된다. 에러 바들은 68% 신뢰 구간(CI)을 나타내며, 마커 크기보다 작다.
섹션 2.A: 1D 원자 어레이들의 예시적인 제어 및 진화
큰 양자 시스템들을 설계하고 제어하는 방법들을 찾는 것은 양자 컴퓨팅의 주요 과제이다. 아래에 논의된 제어 및 진화 예들은 최대 51개 또는 그 이상의 원자들의 어레이들을 허용하는데, 이는 매우 많은 양의 제어 가능성과 그들 사이의 공학적이고 코히어런트 상호작용으로, 큐비트의 역할을 할 수 있다. 또한, 본 개시에서 논의된 바와 같이, 이 시스템은 단일 원자 레벨에서의 제어성뿐만 아니라 더 많은 수의 원자들로 스케일링 업 할 수 있도록 그 자체를 잘 빌려준다. 본 개시에 설명된 기술들 및 실험들은 이러한 큰 양자 시스템들의 엔지니어링 및 제어가 가능하다는 것을 보여준다. 이러한 제어는 양자 시뮬레이션들을 수행하는데 필요하다. 이러한 양자 시뮬레이션들은 예를 들어, 새로운 물질들(유명한 예는 고온 초전도도)을 찾고 복잡한 분자 구조들을 이해하고 새로운 것을 설계하는 등 다른 실제 문제들을 해결하는데 사용될 수 있다. 다른 응용들은 아래에 자세히 설명된 최대 독립 세트 문제와 같은 최적화 문제를 포함한다. 이러한 최적화 문제들은 실제 물제들에 직접 맵핑된다.
일부 실시예들에 따르면, 리드베르그 결정체들 또는 리드베르그 원자들의 제어된 어레이들은 아래에 보다 자세히 설명된 바과 같이 생성될 수 있다. 이러한 리드베르그 결정체들은 본원에 설명된 방법들 및 시스템들을 사용하여 생성된 큰 양자 시스템들에 대한 우수한 테스트 베드를 제공한다. 일반적으로, 시스템 크기가 증가함에 따라 기하급수적으로 증가하는 복잡성으로 인해 큰 양자 시스템을 특성화하는 것은 매우 어렵다. 리드베르그 결정체의 정렬 상태에 대한 해결책이 알려져 있으므로, 리드베르그 결정체들의 생성 및 특성화는 리드베르그 결정체들을 생성하고 조작하는데 사용되는 시스템들 및 기술들의 벤치마킹을 제공한다. 아래에 논의된 바와 같이, 이러한 시스템들 및 방법들은 코히어런트한 제어를 나타내며, 이 큰 양자 시스템(리드베르그 결정체)은 높은 수준의 코히어런스를 보여준다. 추가로, 본원에 설명된 시스템들 및 방법들을 사용하여 생성 및 제어된 리드베르그 결정체들은 평형에서 벗어날 때 놀랍도록 강력한 역학을 나타내는 특별한 양자 상태들을 갖는다는 것이 입증되었다. 이러한 고유 속성이 아래에 더욱 자세히 논의된다.
일부 실시예들에 따르면, 배열된 1D 원자 어레이는 양자 컴퓨팅 문제들에 대한 해결책들을 생성하기 위해 여기되고 진화될 수 있으며, 양자 시뮬레이터로서 사용될 수 있다. 원자들 사이의 상호작용의 특성화뿐만 아니라 1D 원자 어레이를 여기 및 제어하는 기술들이 아래에 설명된다. 균일한 코히어런트 결합의 경우, 해밀턴 방정식 (1)은 가변 상호작용 범위를 갖는 효과적인 스핀-1/2 입자들에 대한 패러다임 이징 모델과 매우 유사하다. 그 접지 상태는 도 2a에 도시된 바와 같이, 개별 공간 대칭을 깨는 풍부하고 다체 위상들을 나타낸다. 예를 들어, Δ/Ω의 큰 음의 값들에서의 그 접지 상태는 상자성(paramagnetic) 또는 무질서 상(disordered phase)에 대응되는 상태(g)의 모든 원자들에 해당한다. Δ/Ω이 큰 양의 값들로 증가함에 따라, r의 원자들의 수가 증가하고 이들 사이의 상호작용들이 중요해진다. 이는 리드베르그 원자들이 어레이에 걸쳐 규칙적으로 배열되는 공간적으로 정렬된 위상들을 야기하여, 도 2a에 도시된 바와 같이 다른 공간 대칭을 갖는 '리드베르그 결정체들'이 발생된다. 이러한 상관 상태의 기원은 Vi,i+1 ≫ Δ ≫ Ω ≫ Vi,i+2, 즉 이웃 원자에 대한 봉쇄이지만 두 번째 다음 이웃들 간 무시할 만한 상호작용이 있는 상황을 먼저 고려하여 이해할 수 있다. 이 경우, 리드베르그 봉쇄는 가장 가까운 이웃의 여기를 줄이면서, 장거리 상호작용은 무시됨으로써, 리드베르그 결정체는 자기 시스템들의 반강자성 순서와 유사한 Z2 변환 대칭을 깨뜨리는 결과를 초래한다. 게다가, Vi,i+1, Vi,i+2 ≫ Δ ≫ Ω ≫ Vi,i+3 및 Vi,i+1, Vi,i+2, Vi,i+3 ≫ Δ ≫ Ω ≫ Vi,i+4이 되도록 파라미터들을 튜닝함으로써, Z3 및 Z4 대칭이 깨진 어레이들이 각각 도 2a에 도시된 바와 같이 얻어질 수 있다. 도 2a의 박스 영역들(220)은 잠재적인 불충분한 위상들을 나타낸다.
이런한 위상들에서 시스템을 준비하기 위해, 구동 레이저들의 디튜닝(Δ(t))은 해밀턴의 접지 상태를 g의 모든 원자들의 생성물 상태에서 결정질의 리드베르그 상태들로 단열적으로 변환하도록 동적으로 제어될 수 있다. 먼저, 모든 원자들은 광학 펌핑에 의해 상태 |g = 5S1/2,F = 2, mF = 2〉로 준비될 수 있다. 그런 다음, 레이저 필드가 켜지고, 도 3a에 도시된 기능적 형태를 이용하여 음에서 양의 값들로 디튜닝되는 두 개의 광자를 스위핑할 수 있다.
도 2b에 도시된 바와 같이, 디튜닝(Δ)에 따라 3개의 상이한 상호작용 세기들에 대해 13개의 원자 그룹에서 결과적으로 생긴 단일 원자 궤적들이 변화된다. 각각의 이러한 예들에서, 초기 상태 |g1, ..., g13〉로부터 다른 대칭의 리드베르그 결정체로의 명확한 전이가 관찰될 수 있다. 원자들 사이의 거리는 주어진 최종 디튜닝에 대해 상이한 결정질 순서들로 이어지는 상호작용 세기를 결정한다. 예를 들어, Z2 순서를 달성하기 위해, 5.9 μm의 간격으로 원자들을 배열하며, 이는 Vi,i+1 = 2π x 24 MHz ≫ Ω = 2π x 2 MHz 의 가장 가까운 이웃 상호작용을 초래하는 반면, 다음의 가장 가까운 상호작용은 작다(2π x 0.38MHz). 이는 다른 모든 트랩 부위가 리드베르그 원자(Z2 순서)에 의해 점유되는 반강자성 결정체의 형성을 초래한다. 원자들 사이의 간격을 3.67 μm 및 2.95 μm로 감소시킴으로써, 도 2b에 도시된 바와 같이, Z3- 및 Z4-순서들이 각각 관찰된다.
보다 구체적으로, 도 2b는 13-원자 어레이 상에 리드베르그 결정체의 형성이 적색 화살표(도 3a도 참조)로 표시된 바와 같이 레이저 파라미터들을 서서히 변화시킴으로써 관찰된다는 것을 도시한다. 하단 패널은 Vi,i+1 = 2π x 24 MHz의 가장 가까운 이웃 상호작용을 초래하고, 다른 모든 원자가 리드베르그 상태 |r로 여기되는 Z2 순서로 이어지는, 원자들이 a = 5.9μm 간격인 구성을 도시한다. 우측 막대 그림은 최종 위치 종속적 리드베르그 확률(에러 바들은 68 % CI를 나타냄)을 표시한다. 중간 패널(a = 3.67 μm, Vi,i+1 = 2π x 414.3 MHz)의 구성은 Z3 순서로, 상단 패널(a = 2.95 μm, Vi,i+1 = 2π x 1536 MHz)은 Z4 순서화된 위상이 된다. 각 구성에 대해, 펄스 이전(좌측) 및 이후(우측)의 단일 샷 형광 이미지가 도시된다. 개방형 원들은 리드베르그 여기들로 인한 소실된 원자들을 강조한다.
양자 시뮬레이터의 성능은 정확한 수치 시뮬레이션을 통해 획득된, N = 7 원자 시스템의 경우의 이론적 예측들로 측정된 Z2 순서 빌드업과 비교될 수 있다. 도 3a 내지 3c는 완전히 코히어런트 시뮬레이션과이 비교를 도시한다. 도 3a 내지 3c에 도시된 바와 같이, 자유 파라미터들이 없는 이러한 완전히 코히어런트한 시뮬레이션은 유한 검출 충실도가 설명될 때 관측된 데이터와 탁월한 일치를 산출한다. 도 3a에 도시된 바와 같이, 레이저 구동은 음에서 양의 값들로 처프되는(chirped) 디튜닝(Δ(t))을 갖는 사각 펄스(Ω(t))로 구성된다. 도 3b는 N = 7의 원자 클러스터(색상 점들)에서 각 원자에 대한 리드베르그 여기 확률의 시간 진화를 도시하며, 이는 레이저 여기 펄스(Ω(t))의 지속 시간을 변화시킴으로써 얻어질 수 있다. 해당 곡선들은 이 예와 관련하여 논의된 바와 같이 사용된 Δ(t) 및 Ω(t)의 기능 형태 및 유한 검출 충실도를 갖는 (1)에 의한 양자 역학의 정확한 시뮬레이션에 의해 획득된 이론적인 단일 원자 궤적들이다. 도 3c는 7개의 가장 가능성 있는 다체 상태들의 진화를 도시한다. 도 3c의 다체 상태들의 진화는 완전한 반강자성 타겟 상태가 54(4)% 확률로 측정될 수 있음을 보여준다. 알려진 검출 불일치에 대한 보정 시, p = 77(6)%의 확률로 원하는 다체 상태에 도달된다. 에러 바(error bar)들은 68% CI를 나타낸다.
준비 충실도는 다양한 크기들의 어레이들에서 단열적 스윕들(adiabatic sweeps)에 의해 4에 도시된 바와 같이 시스템 크기에 따라 달라진다. 도 4a는 클러스터 크기의 함수로서 결정질 접지 상태의 준비 충실도를 도시한다. 개방형 점들이 측정된 값들이며, 채워진 점들이 유한 검출 충실도를 위해 수정된다. 에러 바들은 68% CI를 나타낸다. 도 4b는 18439 실험 실현을 위해 51-원자 클러스터에서 관찰된 발생 횟수 당 검출 오류에 대한 정정이 없는 미시 상태들의 수의 히스토그램을 도시한다. 가장 많이 발생하는 미시 상태는 다체 해밀턴의 접지 상태이다. 스윕 종료 시 다체 접지 상태에서 시스템을 찾을 확률은 시스템 크기가 증가함에 따라 감소된다. 그러나, 51개 이상의 원자들만큼 큰 시스템 크기에서도, 완벽하게 순서화된 결정질 다체 상태는 p = 0.11(2) % (검출 충실도에 대해 정정될 p = 0.9 (2)%)로 획득되며, 이는 시스템의 기하급수적으로 큰 251 차원의 힐버트(Hilbert) 공간의 관점에서 주목할 만하다. 또한, 도 4b에 도시된 바와 같이, 완벽한 Z2 순서를 가진 이 상태는 지금까지 가장 일반적으로 준비된 상태이다.
섹션 3: 결과적인 최종 상태를 관찰
양자 계산 이후, 원자들의 상태는 형광 이미징에 의해 검출될 수 있다. 이는 나머지 원자를 밝히기 위해 상태 종속적 원자 손실 및 후속 이미징에 의해 수행될 수 있다. 본원에 설명된 실시예들에서, 트위저 전위는 레이저 펄스 후에 복원될 수 있다. 접지 상태에 있는 원자들은 트위저에 의해 다시 캡쳐되는 반면, 리드베르그 상태에 남아있는 원자들은 트위저 빔들에 의해 밀려난다. 후속 형광 검출 각 원자의 상태를 드러낼 수 있다. 이 검출의 확장은 먼저 리드베르그 상태를 제2 초미세 상태로 매핑하는 것이며, 이후 상태 선택적 형광이 각 상태의 원자들의 그룹들을 이미지화하는데 사용될 수 있다. 이는 계산의 종료 시원자들이 소실되지 않는다는 추가 이점을 제공한다.
섹션 4. 원자 어레이를 조작하기 위한 레이저 제어 시스템
리드베르그 상태로 여기된 개별 중립 원자들은 양자 시뮬레이션 및 양자 정보 처리를 위한 유망한 플랫폼이다. 그러나, 현재까지의 실험 진행은 짧은 코히어런트 시간 및 이러한 리드베르그 여기들과 관련된 상대적으로 낮은 게이트 충실도로 제한되었다. 따라서, 상기에 설명된 방법들이 양자 컴퓨팅을 위해 큰 원자 어레이를 조립하는데 사용될 수 있는 경우에도, 특정 문제들을 해결하기 위해 배열된 원자 어레이를 진화시키기 위해서는 여전히 조립된 원자 어레이의 고충실도 및 코히어런트 제어를 발전시킬 필요가 있다. 따라서, 일 실시예에 따르면, 리드베르그 원자 큐비트의 고충실도(0 %에 가까운 오차와 같은 낮은 오류) 양자 제어는 예를 들어, 도 7a 내지 7d 와 관련하여 설명된 시스템 및 방법들 및/또는 및 상기에 설명된 방법들을 사용하여 구현될 수 있다. 레이저 위상 노이즈의 감소로 인해, 이 접근법은 개별 큐비트의 코히어런트 속성들을 크게 향상시킨다. 이러한 고충실도 제어는 0.97(3)(즉, 3/100의 오류율)을 초과하는 충실도로 2-원자 얽힌 상태를 준비하고, 2-원자 동적 디커플링 프로토콜로 수명을 연장함으로써 다중 입자 케이스로 확장된다. 이러한 진보는 순서화된 어레이에서 원자들을 보다 정확하고 일관되게 조작할 수 있는 중립 원자들로 확장 가능한 양자 시뮬레이션 및 양자 계산을 제공한다.
일부 실시예들에 따르면, 리드베르그 원자 큐비트의 고충실도 양자 제어는 레이저 위상 노이즈를 줄임으로써 달성될 수 있으며, 이에 따라 개별 큐비트의 코히어런트 속성들이 크게 개선된다. 이러한 고충실도 제어는 다중 입자 케이스까지 확장되며 0.97(3)을 초과하는 충실도로 2-원자 얽힌 상태를 준비한 실험 결과에 의해 확인된다. 준비된 벨(Bell) 상태의 수명은 또한 일부 실시예들에 따른, 새로운 2-원자 동적 디커플링 프로토콜로 연장될 수 있다.
도 7a 내지 7d는 일 실시예에 따른, 1차원에서 프로그래밍 가능한 위치들에서 광학 트위저들 내 개별 콜드 루비듐-87 원자들의 단일 원자 라비 진동을 위한 제어 시스템을 도시 및 특성화한다. 도 7a에 도시된 바와 같이, 외부 캐비티 다이오드 레이저(ECDL)(710A)와 같은 레이저는 기준 광학 캐비티(REF)(720)로 광을 제공할 수 있다. ECDL(710A)로부터의 광은 예를 들어, 파운드-드레버-홀 기술을 사용하여 REF(720)에 잠금될 수 있다. 이를 위해, ECDL의 광은 위상 변조되며, 광 다이오드(PD)(770)에서 검출된 캐비티(720)의 반사일 수 있다. 이 신호는 레이저를 잠그는데 사용되는 오류 신호를 생성하도록 복조된다. 이러한 유형의 잠금은 매우 좁은 선폭을 만들 수 있다. 그러나, 이는 또한 잠금의 대역폭에서 고주파 위상 노이즈를 생성할 수 있다. 이 노이즈를 완화시키기 위해, 캐비티 Ref(720)은 필터 캐비티로 사용될 수 있으며, 이의 좁은 투과 윈도우(삽도의 음영 영역)는 REF(720)의 출력 전력을 향상시키기 위해 고주파 위상 노이즈를 억제하며, 투과광이 패브리-페롯(FP) 레이저 다이오드(740)의 주입 잠금에 사용될 수 있다. 이는 광 아이솔레이터(ISO)(730)를 통해 REF(720)로부터의 광을 FP(740)로 프로딩(proding)시킴으로써 달성될 수 있다. 이 기술을 사용하면, FP(740)로부터의 광은 더 높은 전력에서도 REF(720)으로부터의 광의 스펙트럼 특성들을 계승할 것이다. FP(740)로부터의 광은 ISO(730) 및 포커싱 광학계(750A)를 통해 원자 어레이(790)로 제공될 수 있다. 제2 레이저 소스(710B)는 상이한 주파수에서 레이저 광을 제공할 수 있으며, 이는 광학 장치(750B)를 통해 원자 어레이(790) 상에 포커싱될 수 있다. 특정 실시예들에서, 광학계들(750A 및 750B)로부터의 광은 전이에 대한 도플러 감도를 최소화하기 위해 역전파 구성으로 제공될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 원자 어레이(790)에 대한 여기 빔들의 양호한 정렬을 보장하는 것이 바람직하다. 이를 달성하기 위해, 들어오는 빔들의 정렬을 제어하는 능동 피드백 방식이 이용될 수 있다. 광학계(750A)로부터의 소량의 광이 픽업되어 정렬을 위해 CCD(760)와 같은 공간 분해 이미징 장치에 제공될 수 있다. 레이저들(710A 및 710B)을 위한 이러한 좁고 정확한 제어 시스템은 원자 내부 상태들(|g> 및 |r>)을 제어할 수 있게 한다. 냉각 레이저들, 및 필드 코일들과 같은 자기장 생성 구조들과 같은 추가 구성 요소들이 추가될 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 원자들(790)은 1.5G 자기장에서 광학 펌핑을 통해 접지 상태의 제만 서브 레벨(|g〉= |S1/2, F=2, mF=-2〉)에서 초기화된다. 그런 다음, 트워저 전위가 신속하게 차단되고, 레이저들(710A 및 710B) 둘 다로부터의 레이저 필드가 원자들(790)을 리드베르그 상태(|r〉 = |70S, J = 1/2, mJ = -1/2〉)에 결합하도록 적용된다. 예를 들어 지속 시간 3-8 μs의 레이저 펄스 후에, 트위터 전위가 복원된다. 접지 상태에 있는 원자들(790)은 트위저들에 의해 다시 캡쳐되는 반면, 리드베르그 상태에 남아있는 원자들은 트위저 빔들에 의해 밀려난다. 일부 실험적인 실시예들에 따르면, 이 검출 방법은 트랩-오프(trap-off) 시간에 따라, 0.955(5) 내지 0.990(2) 범위의 리드베르그 상태 검출 충실도(fr = 0.96(1)) 및 접지 상태 검출 충실도(fg)를 갖는다.
일부 실시예들에 따르면, 리드베르그 상태들은 두 개의 광자 전이를 통해 여기된다. ECDL(710A)은 |g〉에서 |e〉 = |6P3/2, F=3, mF = -3으로의 전이 주파수 이상의 Δ만큼 디튜닝되는 420nm 레이저 일 수 있다. 제2 레이저 소스(710B)는 예를 들어 1013 nm에서 레이저 필드를 제공하고 |r〉에 |e〉를 결합한다. 2개의 레이저들(710A 및 710B)은, 각각 단일 중간 서브레벨 및 리드베르그 상태가 결합되어, 추가적인 레벨의 파퓰레이션(population) 및 관련 디페이징(dephasing)을 피할 수 있도록, 각각 σ-및 σ+ 전이를 구동하기 위해 편광된다. 이러한 전이들이 도 7b에 도시된다.
2개의 레이저들(710A, 710B)은 MOG Laboratories Pty Ltd에 의해 판매되는 외부 캐비티 다이오드 레이저들과 같은 임의의 알려진 레이저들일 수 있다. 레이저들(710A)은 안정된 레이저 시스템들에 의해 제공되는 PDH와 같은 PDH(Pound-Drever-Hall)(770)에 의해 주파수가 안정화되어, 초저팽창 기준 캐비티에 잠금될 수 있다. 레이저(710B)는 또한 유사한 PDH(도시되지 않음)에 의해 안정화될 수 있다. PDH(770) 잠금은 잠금의 유효 대역폭 미만의 주파수들에서 레이저 노이즈를 강하게 억제하여, 루프 내 노이즈로 추정되는 좁은 선폭이 1kHz 미만이다. 그러나, 잠금 대역폭 이상의 노이즈는 억제될 수 없으며, 높은 잠금 이득에서 증폭될 수 있다. 이는 ~ 2π × 1 MHz(도 7a의 삽도 참조) 주위의 위상 노이즈에서 광범위한 피크들을 초래한다. 이 고주파 위상 노이즈는 리드베르그 실험들 및 트랩된 이온을 사용한 실험들에서 코히어런트 제한을 나타낸다. 이 위상 노이즈를 억제하기 위해, 기준 캐비티(730)는 스펙트럼 필터로서 사용될 수 있다. 특히, 캐비티의 전달 함수는 Γ ~ 2π× 500 kHz(F ~ 3000의 미세도에 해당)의 반치폭에서 전폭을 갖는 로렌찌안(Lorentzian)일 수 있다. 다른 기능들을 갖는 캐비티들에 다른 기능들을 사용될 수 있다. 선폭이 작을수록 필터링이 좋아진다. 레이저가 잠기면, 좁은 선폭 반송파 성분이 캐비티를 통해 전송되는 반면, 2π ×1 MHz에서의 고주파 노이즈는 4의 계수로 억제된다. ECDL(710A)와 관련하여 도 7a에만 도시되었지만, 420 및 1013 nm 둘 다에서 이 광을 증폭시키기 위해, 2 개의 색상들이 분할될 수 있으며, 각각의 빔은 동일한 스펙트럼 특성들을 상속하는 별도의 레이저 다이오드를 주입 잠금하는데 사용된다. 이는 스펙트럼 적으로 순수한 투과광을 5mW의 420nm 및 50mW의 1013nm 로 광으로 증폭시킨다. 420nm 전력이 청색 전이를 직접 구동하기에 충분하지만, 일부 실시예들에서 1013nm는 테이퍼 증폭기(도시되지 않음)에 의해 추가로 증폭될 수 있다.
레이저들(710A, 710B)은 유한 원자 온도로 인한 도플러 시프트들을 최소화하기 위해 역전파 구성으로 원자 어레이(790) 상에 제공될 수 있다. 레이저들(710A, 710B)은 각각 20 또는 30 ㎛의 웨이스트(waist)에 포커싱될 수 있다. 실험적인 실시예에 따르면,ΩB 2π×60 MHz(ΩR 2π×40 MHz)의 단일 광자 라비 주파수들이 달성될 수 있다. Δ 2π×600 MHz의 중간 디튜닝에서, 이는 Ω = ΩBΩR/(2Δ) 2π×2 MHz의 2개의 광자 라비 주파수로 이어진다. 각 빔은 고속(~ 20ns) 스위칭에도 사용되는 음향 광학 변조기에 의해 <1 %까지 전력 안정화된다. 포인팅 변동에 대한 감도를 최소화하기 위해, 기준 카메라(760) 및 자동 빔 정렬 절차를 사용하여 원자들 상에서 잘 센터링된 정렬을 보장할 수 있으며, 여기서 빔 위치는 피에조 액추에이터들이 있는 하나의 스티어링 미러 마운트를 사용하여 기준 카메라 상의 고정 위치로 안정화된다. 최적 위치는 카메라 상의 다른 빔 위치들에 대한 원자들의 라비 주파수를 측정하고, 리드베르그 상태와의 결합을 최대화하는 위치를 선택함으로써 수립될 수 있다.
도 7d는 일부 실시예들에 따른, 레이저(710B)의 추가 제어를 추가한 7a와 유사한 시스템을 도시한다. 도 7d는 420 nm(710A) 및 1013 nm(710B)에서 두 개의 레이저들을 도시한다. 각 레이저(710A, 710B)는 예를 들어 외부 캐비티 다이오드 레이저일 수 있다. 레이저들(710A, 710B)은 원자들(790)를 리드베르그 상태로 코히어런트하게 여기시키는데 사용된다. 레이저들 둘 다 파운드-드레버-홀(PDH) 잠금에 의해 기준 광학 캐비티(720)로 안정화된다. REF(720)의 미러 코팅은 캐비티가 복수의 파장들에 적합하고 710A 및 710B 둘 다에 의해 사용될 수 있도록 선택될 수 있다. 이를 위해, 레이저들은 각각의 레이저 소스와 기준 캐비티 사이에 배치된 전기 광학 변조기(electro-optic modulator; EOM)로 각각 위상 변조된다. (도시되지 않음), 광학 캐비티로부터 반사된 광은 각각 광 검출기들(PD)(770A, 770B)에서 측정되고, 레이저 다이오드를 통해 전류를 튜닝함으로써 레이저에 대한 피드백에 사용된다. 이는 PDH 잠금의 오류 신호에 대한 노이즈로부터 측정된 바와 같이, 각 레이저를 < 1kHz의 좁은 선폭으로 안정화시킨다. 그러나, 레이저 다이오드로부터의 고주파 노이즈가 억제될 수 없으며, 대신 유한 대역폭으로 인해 PDH 잠금으로 증폭될 수 있다. 이는 중앙의 좁은 반송파 선폭(전력 스펙트럼 삽도에 도시됨)에 비해 약 +/- 1MHz 정도의 노이즈의 광범위한 피크들로 이어진다.
레이저들(710A, 710B)은 기준 캐비티에 잠금되지만, 광은 주로 캐비티(720)를 통해 투과된다. 그러나, 캐비티(720)는 ~ 500 kHz의 대역폭을 갖는 저역 통과 필터의 역할을 하고, 그 전송은 따라서 이러한 "전송 윈도우"(전력 스펙트럼 삽도에서 점선으로 된 박스 영역으로 개략적으로 도시됨) 외부의 노이즈를 억제한다. 따라서, 캐비티를 통한 투과 광은 좁은 선폭을 갖지만 고주파 노이즈도 억제된다.
고출력이 원자들(790)의 제어에 유리하므로, 각각의 레이저(710A, 710B)의 투과 광은 각각 광학 아이솔레이터들(ISO들)(730A, 730B)을 통해 독립적인 패브리-페롯(FP) 레이저 다이오드들(740A, 740B)로 분할 및 주입 잠금된다. 이러한 레이저 다이오드들(740A, 740B)은 그들을 시딩(seed)하는데 사용된 광의 동일한 고품질 스펙트럼 특성들을 상속하며, 이 시드 광을 ~ 5mW의 420nm 광 및 ~ 50mW의 1013nm 광으로 효과적으로 증폭시킨다. 1013 nm 전력은 레이저 다이오드(740B)(미도시) 뒤에 위치된 테이퍼 증폭기에 의해 추가로 증폭될 수 있다. 그런 다음, 2개의 레이저들(710A, 710B)은 전이의 도플러 감도를 최소화하기 위해 역전파 구성으로 원자 어레이(790)의 상에 렌즈들(750A, 750B)에 의해 포커싱될 수 있다.
이러한 레이저 안정화 및 필터링 방식은 현재까지 리드베르그 원자 큐비트의 고충실도 코히어런트 제어를 가능하게 한다. 이 방식은 더 높은 반사율의 미러들로부터 발생하는 좁은 선폭, 및 이에 따라 더 높은 노이즈 억제 요소를 가지는 시판중인 더 높은 미세 광학 캐비티를 사용함으로써 추가로 개선될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 티타늄-사파이어 레이저 또는 염료 레이저와 같은 본질적으로 저잡음 레이저 소스들은 고주파 레이저 위상 노이즈를 스펙트럼적으로 필터링할 필요없이 이러한 전이를 추진하기 위해 사용될 수 있다.
섹션 4.A: 개선된 레이저 제어로부터의 실험 결과들
일부 실시예들에 따르면, 본원에 개시된 다양한 제어 방법들 및 시스템들은 코히어런스 시간을 연장하고 원자들에 대한 제어를 개선하도록 구현될 수 있다. 도 7a 내지 7d에 도시된 제어 시스템과 같은 상기에 설명된 시스템 및 방법들을 구현하는 실험적인 실시예에 따르면, 수명이 긴 라비 진동들은 τ = 27(4) μs의 1/e 수명이 이전 실험에서의 일반적인 ≤ 7 μs 수명과 비교될 수 있도록 측정된다. 이는 도 7c에 도시되는데, 이는 공명 2-광자 결합이 |g〉= 및 |r〉사이의 라비 진동들을 유도한다는 것을 보여준다. 각 그림은 리드베르그 확률을 마이크로초 단위의 시간 함수로 도시한다. 상단 그림은 관련 기술 분야에서 사용된 셋업으로부터의 측정치이다. 하부 그림은 27(4)μs의 피팅된 코히어런트 시간으로, 상기에 설명된 설정에 의한 일반적일 결과들을 도시한다. 각각의 데이터 포인트는 50 내지 100 회의 반복 측정들로부터 계산되며, 이들이 상호작용하지 않도록 23㎛만큼 이격된 2개의 동일하게 결합된 원자들에 대해 평균화된다. 에러 바들은 68% 신뢰 구간이다. 실선은 실험 데이터에 피트되는 반면, 점선은 수치 모델로부터의 예상 대비를 나낸다. 도 7d에 도시된 바와 같이, 이러한 새로운 측정치들과 7d에 점선으로 표시된 단일 원자 시스템에 대한 간단한 수치 모델 사이에 우수한 일치가 존재한다. 구현된 수치 모델은 자유 파라미터들이 없었으며, 유한 원자 온도에서의 랜덤 도플러 시프트들, 중간 상태(|e〉)로부터의 비공진(off-resonant) 산란 및 리드베르그 상태(|r〉)의 유한 수명의 영향들에 대해서만 설명한다. 수치 모델로부터의 결과들은 검출 충실도를 설명하기 위해 추가로 스케일링된다.
다른 실험적인 실시예에 따르면, 단일 원자들의 코히어런스 및 단일 큐비트(single-qubit) 제어가 특성화될 수 있다. 시작하기 위해, 리드베르그 상태의 수명은 양자 제어가 수행될 수 있는 시간 척도를 설명하고 결정하기 위해 도 8a에 도시된 바와 같이 측정된다. 도 8a에 도시된 바와 같이, |r〉의 수명은 π- 펄스로 |g〉로부터 |r〉로 여기시킨 다음, 가변 지연 후 여기 해제시킴(de-exciting)으로써 특성화될 수 있다.|g〉(Pg로 표시됨)으로 종료될 확률은 추출된 수명(T1 = Tr→g = 51(6)μs)으로 감쇠된다. 측정된 T1 = Tr→g = 51(6) μs는 |e〉로부터의 1013 nm 레이저의 비공진 산란을 위한 ~ 80 μs의 시간 척도와 결합될 때 146 μs의 리드베르그 상태 수명과 일치한다. 램지(Ramsey) 실험은 열 도플러 시프트들에 의해 설명되는 가우시안 감쇠(810)를 보여준다(도 8b 참조). 도 8b에 도시된 바와 같이, 라인(810)으로 표시된 램지 실험은 열 도플러 시프트들에 의해 제한된,
= 4.5(1) μs의 1/e 수명을 갖는 가우시안 감쇠를 보여준다. π/2-펄스들(832, 834) 사이에 추가 π-펄스(830)를 삽입하면 도플러 시프트들의 효과가 무효화되고 T 2 = 32(6) μs의 실질적으로 더 긴 코히어런스 수명(0.5까지 지수 감쇠에 적합)을 얻게 된다. 10 μK에서, 실험의 각 샷에서 랜덤 원자 속도는 폭 2π×43.5 kHz의 가우시안 분포로부터 랜덤 디튜닝 
로 나타나며, 으로 디페이징된다. 그러나, 랜덤 도플러 시프트는 각각의 펄스 시퀀스의 지속 기간에 걸쳐 일정하기 때문에, 그 효과는 스핀-에코 시퀀스를 통해 제거될 수 있다(도 8b의 그림(820) 참조). 스핀-에코 측정은 수치 시뮬레이션(점선들)로부터 약간의 편차를 표시하여, 추가적인 디페이징 채널의 존재를 나타낸다. 지수 감쇠를 가정하면, 피팅된 T2 = 32(6)μs이고 순수 디페이징 시간 
= 47(13)μs이다. 이 디페이징은 잔류 레이저 위상 노이즈로 인해 발생할 수 있다. 상태들 |g〉와 |r〉사이의 원자들을 공진적으로 조작하는 것 외에도, 이러한 상태들 사이의 위상을 조작할 수 있는 것이 또한 바람직하며, 이는 위상 게이트로 불릴 수 있다. 도 8c는 독립적인 809 nm 레이저(840)를 적용함으로써 구현된 이러한 단일-원자 위상 게이트를 도시한다. 일부 실시예들에 따르면, 원자 전이와는 거리가 멀지만, 리드베르그 상태의 파장들과는 다른 접지 상태에서 광 시프트를 유도하기에 충분히 가까운 다른 파장이 사용될 수 있다. 이는 시간(t) 동안 접지 상태에서 광 시프트(δ=2π×5 MHz)를 유도하여, 누적된 동적 위상(
)을 초래한다. 게이트는 도플러 시프트를 취소하기 위해 스핀-에코 시퀀스(spin-echo sequence)에 임베디드될 수 있다. 여기에 표시된 각 측정에서, 1013 nm 레이저는 전체 펄스 시퀀스에 대해 온(on) 상태를 유지하는 반면, 420 nm 레이저는 각 그림 위에 표시된 시퀀스에 따라 펄스화된다. 각 데이터 포인트는 단일 원자들에서 200 - 500 회 반복 측정하여 계산되며, 오류 바들은 68% 신뢰 구간들을 나타낸다. 도 8b 및 8c에서, 실선들은 실험 데이터에 피팅된다. 점선들은 유한 검출 충실도를 포함하여, 수치 모델로부터 예상되는 대비를 도시한다. 이러한 긴 코히어런스 시간들 및 단일 큐비트 제어 게이트들은 양자 컴퓨팅에 유용하다.
일부 실시예들에 따르면, 단일 원자 위상 게이트는 접지 상태(|g〉)의 에너지를 5 MHz만큼 시프트시키는 독립적인 집속 레이저를 적용함으로써 구현될 수 있다. 적용된 레이저 펄스의 지속 시간을 제어함으로써, 제어된 동적 위상이 |r〉에 비례하여 |g〉에 전해질 수 있다. 결과적인 위상 게이트(스핀 에코 시퀀스에 임베디드됨)의 대비는 검출 및 스핀 에코 충실도에 의해 가해지는 제한에 가깝다.
일부 실시예들에 따르면, 두 개의 원자들이 제어될 수 있다. 이러한 기술들 및 시스템들은 둘 이상의 원자들에 적용될 수 있음을 이해해야 한다. 이를 위해, 2개의 원자들은 리드베르그-리드베르그 상호작용이 =2π×30 MHz ≫ Ω=2π×2 MHz인, 5.7㎛의 간격으로 배치될 수 있다. 리드베르그 봉쇄 체제로 불릴 수 있는 이러한 체제에서, 레이저 필드는 
의 강화된 라비 주파수에서 |gg〉로부터 대칭 상태 로 원자들 둘 다를 전체적으로 결합한다(도 9a 참조). 도 9a는 2개의 근처 원자들에 대한 레벨 구조를 도시하는 것으로, 이는 상호작용 에너지()에 의해 시프트되는 이중 여기 상태(|rr〉)를 특징으로 한다. 이 리드베르그 봉쇄 체제에서, 레이저 필드는 |gg〉와 |W〉만 결합한다. 대칭 및 비대칭 상태들 은 하나의 원자의 로컬 위상 게이트(화살표 910으로 표시)에 의해 결합될 수 있다.
확률들은 상태들 |gg〉, |gr〉, |rg〉, 및 |rr〉(각각 Pgg, Pgr, Prg 및 Prr로 표시됨)에 대해 측정될 수 있으며, 이중 여기 상태로 진입하는 파퓰레이션이 없음을 보여준다. 도 9b 상단 참조(Prr < 0.02인 경우, 검출 오류만 일치). 대신에, 제로 여기들의 매니폴드(도 9b 하단)와 하나의 여기의 매니폴드(도 9b 중간) 사이에 2π×2.83 MHz 
의 피팅된 주파수를 갖는 진동이 있다(도 9b 참조). 가변 시간 동안 두 원자들을 공진으로 구동한 후, 그 결과 생긴 두 개의 원자 상태들의 확률이 측정될 수 있다. 파퓰레이션은 향상된 라비 주파수 
에서 |gg〉로부터 |W〉로 진동한다. 이는 고충실도 2 큐비트 제어를 보여준다.
이러한 집합적인 라비 진동은 강화된 라비 주파수(
로 표시됨)에서 π-펄스를 적용하여 최대 얽힌 벨 상태 |W〉를 직접 준비하는데 사용될 수 있다. 로 주어진, 이 실험적으로 준비된 얽힌 상태의 충실도를 결정하기 위해, 이는 밀도 연산자 ρ의 대각 및 비대각 행렬 요소들로 표현될 수 있다.
+ (3)
여기서,α,β,γ,δ ∈ {g, r}인 경우, 
= 
이다. 대각선 요소들은 π-펄스를 적용한 다음 파퓰레이션을 측정함으로써 직접 측정될 수 있다. 그 결과들은 0.95(1)의 최대 가능한 값에 대해, 
= 0.94(1)인 상태 검출 오류들을 고려한 후 완벽한 |W〉상태의 결과와 거의 일치한다.
밀도 행렬의 비대각선 요소들을 측정하기 위해, 단일 원자 위상 게이트(
)920)가 하나의 원자에 가변 위상을 도입하는 9c에 도시된 바와 같이 사용될 수 있다. 예를 들어, 로컬 빔은 가 되도록, |rg〉가 아닌 |gr〉에 광 시프트(δ)를 추가한다. 이 위상 누적은 다음에 따라 |W〉를 직교 암흑 상태 로 회전시킨다:
(4)
|D〉는 레이저 필드에 의해 연결 해제되기 때문에, 후속 π-펄스는 |W〉의 모집단만 다시 |gg〉에 맵핑시킨다. 따라서, 시스템이 |gg〉로 종료될 확률은Pgg(t)= A cos2(δt/2)로서의 위상 누적 시간에 따라 달라진다. 여기서, 진동의 진폭(A)은 비대각 행렬 요소들(ρgr,rg = ρrg,gr)을 정밀하게 측정한다. 랜덤 도플러 시프트들에 대한 감도를 완화시키기 위해, 이 전체 시퀀스는 스핀-에코 프로토콜에 임베디드될 수 있다(도 9c 참조). 도 9c는 봉쇄 체제에서 공진 π-펄스 이후 두 원자들의 얽힘 충실도의 측정을 도시한다. 로컬 위상 게이트 
는 |W〉를 |D〉로 회전시키며, 이는 후속 π-펄스에 의해 검출된다. 피팅된 대비 0.88(2)는 비대각 밀도 행렬 요소들을 측정한다. 위상 게이트는 < 2 %의 누화(crosstalk)로 하나의 원자에 포커싱된 비공진 레이저에 의해 구현된다. 측정은 열 도플러 시프트들로부터 디페이징을 취소하도록 스핀 에코 시퀀스에 임베디드된다. 상기에 설명된 바와 같이, 위상 게이트는 양자 계산을 위한 유용한 단일 큐비트 게이트이다. 여기서, 이는 두 원자들 사이의 얽힘을 특성화하는데 사용될 수 있다. 본원에 사용된 에코 시퀀스는 도플러 시프트들로부터 노이즈를 제거함으로써 시스템의 코히어런스를 향상시키는 데 도움이 된다.
그 결과로 인한 대비는 A = 0.88(2) = 2ρgr,rg = 2ρrg,gr였다. 이 값들을 대각 행렬 요소들와 결합하여, F = 0.91(2)의 얽힘 충실도가 측정되었다. 실험 상태 검출 오류율에 따른 최대 측정 가능한 충실도는 0.94(2)일 것이므로, 불완전한 검출을 수정한 후 얽힌 벨 상태는 F = 0.97(3)의 충실도로 생성되었다는 것을 알았다. 이 충실도는 초기 π-펄스를 뒤따르는 펄스들 도중 발생하는 오류들을 포함하며, 따라서 실제 충실도의 하한을 구성한다.
얽힘은 양자 계산에 유용한 자원이다. 그러나, 얽힌 상태들은 매우 약하고 빠른 디페이징에 놓일 수 있다. 본원에 논의된 방법은 특정 노이즈 소스들에 대항하여 얽힌 상태들을 보호하는데 사용될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, |W〉를 여기시키는 것에 의한 얽힌 상태의 수명은 π-펄스로 탐색된 다음 가변 지연후에 여기 해제될 수 있다(도 10 참조). 도 10은 동적 디커플링을 통한 얽힌 상태 수명의 연장을 도시한다. |W〉의 수명은 |gg〉 를 |W〉로 여기시킨 다음 그림(810)에 도시된 바와 같이 가변 시간 이후 여기 해제시킴으로써 측정될 수 있다. 수명은 랜덤 도플러 시프트들로부터 디페이징함으로써 제한된다. 봉쇄 체제에 추가 2π-펄스(1030)를 삽입하면 랜덤 위상 누적을 재포커싱하기 위해 |gr〉 및 |rg〉 의 파퓰레이션들을 스왑(swap)하며, 이에 의해 그림(1020)(실선으로 표시된 지수 감소에 피팅됨)에 도시된 바와 같이 수명을 ~ 36μ로 연장한다. 각각의 곡선(1010, 1020)에서의 초기 오프셋은 주어진 트랩-오프 시간과 관련된 접지 상태 검출 충실도에 의해 설정된다. 모든 데이터 포인트들은 30 ~ 100 회 반복 측정들로 계산되며, 이에 의해 9개의 독립적인 동일하게 결합된 원자 쌍들에 걸쳐 평균을 내며, 오류 바들은 68% 신뢰 구간들을 나타낸다. 그림들 및 피팅 선들 근처의 점선들은 검출 오류를 포함하여, 수치 모델로부터의 예측치들을 보여준다. 대비의 감쇠는 랜덤 도플러 시프트들과 관련된 수치 예측들과 잘 일치한다. 특히, |W〉 상태의 두 성분들 |gr〉및 |rg 〉는로 디페이징되며, 여기서 
는 원자 i의 2-광자 도플러 시프트이다.
일부 실시예들에 따르면, 2-원자 원자 얽힘 상태의 수명은 복수의 큐비트들에 작용하는 에코 시퀀스로 연장될 수 있다. 이는 더 긴 제어 기간을 허용한다. |W〉상태가 시간 T 동안 진화한 후, 2π-펄스가 2-원자 시스템에 적용될 수 있다. 리드베르그 봉쇄 체제에서, 이러한 펄스는 |gr〉및 |rg〉의 파퓰레이션들 스왑한다. 시간 T 동안 다시 진화한 후, 누적된 총 도플러 시프트들은 2-원자 파동 함수의 각 부분에 대해 동일하며, 따라서 최종 | 상태 충실도에 영향을 미치지 않는다. 도 10은 수명이 도플러 제한 감쇠를 훨씬 넘어 
= 36(2) μs 로 연장된다는 것을 도시한다. 단일 원자 경우에서와 같이, 순수 디페이징 시간 척도 
> 100 μs가 추출된다.
두 개의 원자들의 벨 상태 디페이징 시간 
> 100 μs은 단일 원자 디페이징 시간 
= 47(13) μs보다 상당히 더 길다. 이는 상태들 |gr〉 및 |rg〉 이 원자들 둘 다에 동일하게 결합하는 레이저 위상 및 세기 변동들과 같은 전역 변동들에 민감하지 않은 섭동 자유 공간(decoherence-free subspace)를 형성하는 점을 유념하면 이해될 수 있다. 반대로, 중첩 에서의 단일 원자는 레이저 위상과 레이저 세기 둘 다에 민감하다. 이러한 섭동 자유 공간은 특정 노이즈 소스들로부터 양자 정보를 보호하는데 사용될 수 있다. 이러한 측정들은 이러한 실험들에서 레이저 노이즈가 크게 감소하더라도 여전히 실험에서 완전히 제거되지는 않는다는 추가적인 지표를 제공한다. 훨씬 더 많은 레이저 노이즈를 필터링하고 훨씬 긴 코히어런스 시간을 가능하게 하기 위해 고정밀 캐비티 REF(720)가 사용될 수 있다. 추가로, 그럼에도 불구하고 접지 상태와 리그베르그 상태 사이의 이러한 코히어런트 조작 기술들은 이전에 보고된 것보다 현저하게 우수하다.
이러한 측정은 리드베르그 원자 큐비트를 고충실도 양자 시뮬레이션 및 계산을 위한 플랫폼으로 수립한다. 이 개시에 설명된 기술들은 중성 원자 어레이들을 제어하는 방법들을 나타낸다. 이러한 기술들에 의해 입증된 충실도는 레이저 세기를 증가시키고 중간 상태로부터 더 큰 디튜닝으로 동작시킴으로써, 비-공진 산란의 유해한 영향을 감소시키거나, 직접 단일 광자 전이를 사용함으로써 더욱 개선될 수 있다. 추가로, 트위저들에서 원자들의 사이드밴드 냉각은 도플러 시프트들의 크기를 극적으로 감소시킬 수 있는 반면, 티타늄-사파이어 레이저 또는 고정밀(higher-finesse) 캐비티들에 의해 필터링된 다이오드 레이저와 같은 저잡음 레이저 소스들은 위상 노이즈로 인한 오류들을 추가로 제거할 수 있다. 레이저 펄스 쉐이핑(shaping)과 같은 고급 제어 기술들은 또한 더 높은 충실도에 도달하기 위해 사용될 수 있다. 마지막으로, 현재 작업의 주요 불완전성의 원천인 상태 검출 충실도는 리드베르그 원자들의 필드 이온화 또는 리드베르그 상태들을 별도의 접지 상태 레벨들에 매핑시킴으로써 개선될 수 있다.
섹션 5.A: 예들 - 위상 전이에 걸친 양자 역학
본원에 설명된 시스템 및 방법들은 아래에 설명된 바와 같이, 이징 문제의 해결책에 대한 식별을 제공한다. 본원에 적용된 기술들은 또한 아래에 설명된 최대 독립 세트 문제와 같은 다른 모델들로 전달될 수 있다.
원자들이 51개 이상만큼 많은 원자들의 1D 어레이와 같은 큰 어레이들로 배열될 수 있다면, 리드베르그 상태와 접지 상태 사이에서 번갈아 원자들로서의 위상 전이들이 관찰될 수 있다. 이러한 전이들은 아래에 더욱 상세히 논의된다. 도 5a 내지 5d는 일 실시예에 따른, 51개의 원자 어레이에서 Z2-상으로의 전이의 특성들을 도시한다. 원자 상태들이 리드베르그 상태와 접지 상태 사이에서 번갈아 나타나는 긴 순서화된 체인이 나타날 수 있다. 도 5a에 도시된 바와 같이, 이러한 순서화된 도메인들은 동일한 전자 상태에서 2개의 이웃하는 원자들로 구성된 자벽(domain walls)에 의해 분리될 수 있다.
도 5a는 예시적인 실시예에 따른, 단열 펄스를 적용하기 이전(상단 행(501), 즉, 도 1d와 관련하여 논의된 바와 같은 진화 단계(116)) 및 펄스 이후(3개의 개별 인스턴스들에 해당하는 하단 3개의 행들(502, 503, 504), 즉 도 1d의 검출 단계(118))의 51-원자 어레이의 단일 샷 형광 이미지들을 도시한다. 작은 원들(505)은 소실된 원자들을 표시하는 것으로, 이는 리드베르그 여기들에 기인할 수 있다. 자벽들은 완벽하게 순서화된 리드베르그 결정체의 결함들이다. 자벽들은 단열 스윕의 종료 시 시스템이 접지 상태에 얼마나 잘 도달했는지를 특성화할 수 있도록 한다. 이러한 자벽들 자체를 관찰하는 것도 유용하다. 예를 들어, 시스템은 스윕 속도가 자벽들의 수에 어떻게 영향을 주는지 또는 자벽들 사이에 상관 관계가 있는지 여부에 의해 더 잘 특성화될 수 있다. 자벽들(506)(원형 도트들)은 동일한 상태의 2개의 이웃하는 원자들로 식별되거나 어레이의 에지에서 접지 상태의 원자로 식별되며, 타원으로 표시된다. 자벽들 사이의 긴 Z2 순서화된 체인들 관찰될 수 있다.
도 5b는 예시적인 실시예에 따른, 주파수 스윕 동안 디튜닝의 함수로서의 자벽 밀도를 도시한다. 곡선(560)상의 포인트들은 스윕 동안 디튜닝의 함수로서 자벽 밀도의 평균이다. 에러 바들은 평균의 표준 오차이며, 마커 크기보다 작다. 곡선(570)상의 포인트들은 음영 영역이 잭나이프형 오차 추정치를 나타내는 해당 변화량이다. 위상 전이의 개시(onset)는 자벽 밀도의 감소 및 변화량의 피크에 의해 목격된다. 각 포인트는 1000개의 실현들로부터 얻어진다. 실선 곡선(560)은 측정 충실도를 고려하여 자유 파라미터들(본드 치수 D = 256)이 없는 완전한 코히어런트 MPS 시뮬레이션이다.
자벽 밀도는 디튜닝(Δ)의 함수로서 왜곡된 상으로부터 순서화된 Z2-상으로의 전이를 정량화하는데 사용될 수 있으며, 순서 파라미터의 역할을 한다. 시스템이 Z2-상으로 진입함에 따라, 순서화된 도메인들은 크기가 커져, 자벽 밀도(도 5b의 곡선(560)의 포인트들)의 실질적 감소로 이어진다. 이징 유형의 2차 양자 위상 전이에 대한 기대에 일치하여, 두 위상들 사이의 전이 지점에 가까운 변동 길이들의 도메인들이 관찰될 수 있으며, 이는 자벽의 밀도의 변화량의 현저한 피크에 의해 반영된다. 이러한 피크는 유한 크기 스케일링 분석으로부터의 예측들과 일치하여, Δ
0.5Ω의 양의 값들을 향해 시프트된다. 관찰된 자벽 밀도는 51-원자 행렬 곱 상태들(matrix product states)(라인(560))에 기초한 양자 역학의 완전한 코히어런트 시뮬레이션들과 매우 일치한다; 그러나, 이러한 시뮬레이션들은 위상 전이에서의 변화량을 경시한다.
스윕의 종료 시, Z2 상(Δ/Ω>>1)의 깊이, Ω는 해밀턴 (1)이 본질적으로 고전적이 되도록 무시될 수 있다. 이 체제에서, 측정된 자벽 수 분포는 위상 전이를 통과할 때 생성된 여기들 통계를 직접 추론할 수 있게 한다. 도 5c는 51-원자 어레이의 18439 개별 실험 실현 동안 나타난 정규화된 자벽들의 수의 히스토그램을 도시한다. 분포는 평균 9.01(2) 자벽들로 도시된다. 이 분포는 더 많은 수의 자벽들로 이어지는 상태(|g〉) 및 상태(|r〉)의 검출 충실도에 의해 영향을 받는다. 다시 말해, 완벽한 검출 충실도를 갖는 시스템은 불완전한 검출 충실도가 추가적인 자벽들을 도입하는데 사용된 것과 다른 자벽 분포를 생성할 것이다. 따라서, 실제 자벽 수를 결정하기 위해, 검출 충실도의 영향은 낮은 검출 충실도의 영향 없이 생성된 자벽들의 수를 결정하기 위해 자벽 분포에 대해 모델링될 수 있다. 이는 최대 우도 추정이 검출 충실도에 대해 보정된 분포를 얻을 수 있게 하며, 이는 평균 5.4개의 자벽들을 갖는 상태에 대응된다. 이러한 나머지 자벽들(낮은 검출 충실도에 의해 발생되지 않은 자벽들)은 에너지 갭이 최소가 되는 위상 전이를 통과할 때 접지 상태로부터의 비단열 전이들로 인해 생성될 가능성이 가장 높다. 추가로, 준비 충실도는 또한 레이저 펄스 동안 자발적 방출에 의해 제한된다(전체 어레이에 대해 μs 당 평균 1.1개의 광자들이 산란됨).
도 5c는 예시적인 실시예에 따른, 18439 실험 실현(상부 그림)으로부터 획득된 Δ = 14 MHz에 대한 자벽 수 분포를 도시한다. 에러 바들은 68% CI를 나타낸다. 경계 조건들로 인해, 짝수 개의 자벽들만 나타날 수 있다. 하단 그림에서 각 결합 쌍의 우측에 있는 바들은 최대 우도 방법(maximum likelihood method)을 사용하여 유한 검출 충실도를 수정하여 얻은 분포를 도시하며, 이는 평균 5.4 개의 자벽 수를 생성한다. 각 결합 쌍의 좌측에 있는 바들은 동일한 평균 자벽 밀도를 갖는 열 상태의 분포를 도시한다. 도 5d는 Z2 상에서 측정된 상관 함수를 도시한다.
생성된 Z2 순서화된 상태를 추가로 특성화하기 위해, 상관 함수가 평가될 수 있다.
여기서 평균 <. . .>은 실험적인 반복들을 넘겨 받는다. 상관 관계가 ξ= 3.03(6) 부위들(도 5d 및 SI 참조)의 감쇠 길이(decay length)를 갖는 거리에 대해 기하급수적으로 감쇠되는 것을 알았다.
도 6은 본 개시 내에 설명된 접근법이 평형과는 거리가 먼 다체 시스템들의 코히어런트 역학의 연구를 가능하게 한다는 것을 입증하는 그래픽을 도시한다. 도 6a는 단열성 준비 및 단일 원자 공진에 대한 급냉(sudden quench)을 수반하는 개략적인 시퀀스(상부, Δ(t)를 나타냄)를 도시한다. 히트 맵(heat map)은 9-원자 클러스터에 대한 단일 원자 궤적들을 나타낸다. 초기(좌측 삽도) 결정체는 퀀치(quench) 이후 홀수 트랩 부위가 붕괴될 때마다 리드베르그 여기가 관찰되며, 짝수 부위들이 생성될 때마다 여기가 있는 크리스털이 관측된다(중간 삽도). 나중에, 초기 결정이 부활된다(우측 삽도). 에러 바들은 68% CI를 나타낸다. 도 6b는 퀀치 이후 자벽들의 밀도를 도시한다. 동역학은 0.88 μs의 시간 척도에서 천천히 감쇠된다. 음영 영역은 표준 평균 에러를 나타낸다. 상단 분할 창의 실선은 측정 충실도를 고려하여 본드 치수가 D = 256인 완전한 코히어런트 MPS 시뮬레이션이다. 도 6c는 비상호작용 이량체들(dimers)의 토이 모델을 도시한다. 도 6d는 정확한 대각선화로부터 얻어진 이상적인 25개의 원자 결정체로부터 시작된 퀀치 후 동역학의 수치 계산들을 도시한다. 시간(610)의 함수로서의 자벽 밀도 및 반쇄(half chain)(13개의 원자들)(620)의 얽힘 엔트로피의 성장. 점선들은 가장 가까운 인접 봉쇄 제약만 고려한다. 실선들은 완전한 1/r6 상호작용 전위에 해당한다.
도 6a에 도시된 바와 같이, 초기에 Z2 순서화된 상에서 준비된 깊이의 리드베르그 결정체들의 퀀치 동역학에 초점을 맞추면, 디튜닝(Δ(t))은 갑자기 단일 원자 공진(Δ = 0)으로 변경된다. 이러한 퀀치 후, 다체 상태들의 진동들이 초기 결정체와 각각의 내부 원자 상태가 반전되는 상보적 결정체 사이에 나타난다. 이러한 진동들은 현저하게 강력하여, 대형 어레이들에 대한 시스템 크기와 거의 무관한 주파수로 여러 주기 동안 지속된다. 이는 자벽 밀도의 동역학을 측정하여, 9개 원자들의 어레이(실선 도트들) 및 51개 원자들의 어레이(개방형 도트들)에 대해 도 6b에 도시된, 결정질 상태들의 출현 및 소멸을 시그널링함으로써 확인된다. 초기 결정체는 독립적인 비상호작용 원자들에 대한 라비 진동 주기와 비교하여 1.4 배수만큼 느린 주기로 반복적으로 재생된다.
일 실시예에 따르면, 몇몇 중요한 특징들은 본 개시에 설명된 기술들로부터 비롯된다. 첫째, Z2 순서화된 상태는 단순한 열 앙상블에 의해 특성화될 수 없다. 보다 구체적으로, 유효 온도가 측정된 자벽 밀도에 기초하여 추정되면, 해당 열 앙상블은 상관 길이(ξth = 4.48(3))를 예측하며, 이는 측정된 값(ξ= 3.03(6))보다 상당히 더 길다. 이러한 불일치는 또한 자벽의 수에 대한 별개의 확률 분포들에 반영된다(도 5c 참조). 이러한 관찰은 시스템이 Z2 상태 준비의 시간 척도 내에서 열화되지 않음을 시사한다.
둘째, 양자 퀀치 후 결정질 순서의 코히어런트하고 지속적인 진동. 퀀치된 해밀턴(Δ = 0)과 관련하여, Z2 순서화된 상태의 에너지 밀도는 리드베르그 봉쇄에 의해 제한되는 매니폴드 내의 무한 온도 앙상블의 에너지 밀도에 대응된다. 또한, 해밀턴은 총 에너지 외에 어떠한 명시적으로 보존된 양을 갖고 있지 않다. 그럼에도 불구하고, 진동들 가장 빠른 시간 척도인, 1/Vi,i+1뿐만 아니라 로컬 이완의 자연적인 시간 척도 ∼ 1/Ω를 훨씬 넘어 지속된다.
이러한 관측들을 이해하기 위해, 장거리 상호작용의 영향이 무시되고 가장 가까운 이웃의 상호작용들이 리드베르그 상태들의 이웃하는 여기들에 대한 엄격한 제약으로 대체되는 단순화된 모델을 고려한다. 이 제한에서, 퀀치된 역학의 정성적 행동은 이량체화된 스핀들(도 6c에 도시된 바와 같이)으로 관점에서 이해될 수 있으며; 제약으로 인해, 각 이량체는 공진 드라이브가 실험적으로 관찰된 것에 가까운 기간(2(2π/Ω)) 동안 3개의 상태들을 "회전"하는 3가지 상태들(|r,g〉, |gg〉, 및 |gr〉)을 갖는 효과적인 스핀-1 시스템을 형성한다. 이 정성적 그림은 이웃하는 이량체들 사이의 강한 상호작용(제약들)을 고려하지 않았지만, 이는 모든 리드베르그 봉쇄 제약들을 준수하는 MPS(matrix product state)를 기반으로 하는 다체 파형 함수에 대한 최소 변동 안자츠(ansatz)를 고려하여 확장될 수 있다. 시간-종속적 변동 원리를 사용하여, 모션의 분석 방정식들이 도출될 수 있으며, 실험적 관찰들의 10% 내에 있는 주파수에 의한 결정질 순서 진동(Ω/1.51)을 얻을 수 있다. 이러한 고려 사항들은 다양한 수치 시뮬레이션들에 의해 뒷받침될 수 있다. 예를 들어, 큰 본드 치수를 가진 MPS 시뮬레이션은 단순화된 모델이 오랜 시간에 걸쳐 결정체 진동을 나타내는 반면, 얽힘 엔트로피는 Ω보다 훨씬 작은 속도로 성장하여, 진동이 많은 사이클들에 걸쳐 지속됨을 나타낸다는 것을 예측한다(도 6d). 그러나, 실험 관측들과 일치하는 시간 척도는 1/Vi,i+2에 의해 결정되는 반면, 얽힘 엔트로피는 이 시간 척도에서도 증가하는, 장거리 상호작용의 추가는 진동들의 빠른 감쇠로 이어진다.
따라서, 결정체 진동의 감쇠는 약한 다음 가장 근처 이웃의 상호작용의 영향에 의해 제한된다. 장거리 정정 유무에 관계없이, 해밀턴이 알려진 통합형 시스템과는 거리가 멀고, 강력한 장애도 명시적으로 보존된 양도 없는 특징을 가지고 있으므로, 이러한 느린 열화는 예기치 못한 것이다. 대신에, 관측들은 리드베르그 봉쇄로 인한 제한된 역학과 관련될 수 있으며, 그 결과 시간 척도(Vi,i+1 ≫ Ω Vi,i+2)가 크게 분리된다. 이는 황금 비율((1 + 5)N/2N) 및 비단순(non-trivial) 역학에 의해 결정된 힐버트 공간 치수를 갖는 소위 구속된 이량체 모델들이 생기게 된다.
일 실시예에 따르면, 양자 역학에 의해 지배되는 것과 같은 문제를 인코딩하기 위해 어레이에 트랩핑된 원자들 사이의 초기 간격이 사용될 수 있다. 시스템의 단열 진화 후, 원자들은 문제에 대한 해결책을 결정하기 위해 관찰될 수 있다. 진화 후 원자들의 상태는 문제에 대한 해결책을 나타낼 수 있다.
섹션 5.B: 예들 - 양자 컴퓨터들을 이용한 최대 독립 세트 최적화 문제 해결
개별적으로 트랩핑된 중성 원자들 배열 및 제어하기 위해 상기에 설명된 방법들 및 시스템들 및 그의 리드베르그 상호작용이 다양한 상이한 유형들의 문제들을 해결하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기에 설명된 바와 같이, 일부 실시예들에 따르면, 상기에 설명된 시스템들 및 방법들은 양자 단열 원리에 기초하여 최대 독립 세트(MIS) 최적화 문제들을 해결하는데 사용될 수 있다. MIS 최적화 문제들은 수치 기술들만을 사용하여 해결하는 것은 어렵지만, 양자 컴퓨팅 기술들을 사용하여 보다 쉽게 해결될 수 있다. 따라서, 양자 컴퓨팅에 대해 상기에 설명된 시스템들 및 방법들은 아래에 설명된 MIS 최적화 문제들에 대한 해결책들을 찾는 데 매우 적합하다.
단열 양자 계산은 조합 최적화 문제들을 해결하기 위한 새로운 일반적인 접근법이다. 큐비트 세트를 구성하며, 시작점 H(0)이 쉽게 준비될 수 있는 접지 상태를 갖고 최종점 H(T)이 고유 상태(eigenstates)가 최적화 문제에 대한 해결책을 인코딩하는 이러한 형식을 갖는 시간 종속적 해밀턴식 H(t)를 구성한다. "단열적(adiabatic)"이라는 명칭은 H(t)가 충분히 느리게 변하면, 시스템은 대부분 항상 t에서 순간적인 해밀턴식 H(t)의 접지 상태를 유지하여, 최종 시간 t = T에서 시스템이 H(T)의 접지 상태에서 발견되며, 이로부터 최적화 문제에 대한 솔루션이 찾아지도록 한다는 사실에서 유래한다. 일부 실시예들에 따르면, 해밀턴식이 완전히 단열적 진화를 위해 충분히 느리게 변하지 않으면, 시간 종속적 해밀턴식에 의해 유도된 역학은 시스템에 유한 에너지를 주입할 수 있다. 최적화 문제의 비용 함수가 최종 해밀턴식에서 올바르게 인코딩되고, 주입된 에너지가 낮을 정도로 진화가 느린 한, 시스템의 최종 상태를 측정하는 것은 최적화 문제에 대한 좋은 대략적인 해결책을 제공한다. 이 양자 단열적 최적화(또는 근사화)의 작동 원리는 최적화 문제들에 대한 해결책을 찾기(또는 근사화)하기 위한 알려진 고전 알고리즘과 근본적으로 다르며, 그에 따라 양자 속도향상(즉, 양자 컴퓨터들을 사용하여 더 빠르게 계산을 수행)으로 이어질 수 있다.
최대 독립 세트 문제(아래에서 더욱 자세히 논의)는 그래프 이론에서 고전적 조합 최적화 문제이다. 이 작업은 그래프에서 정점들의 서브셋을 선택하여, 그들 중 어느 것도 인접하지 않도록 하는 것이다. 일부 실시예들에서, 문제는 가장 많은 수의 정점들을 갖는 이러한 서브셋을 찾는 것이다. 이는 복잡성 이론에서 잘 연구된 문제로서, 이는 근사하게는 NP-하드(NP-hard)로 알려져 있다. 결정 문제로 공식화되면, 이는 NP-완전(NP-complete)(즉, NP(비결정적 다항 시간) 문제들 및 NP-하드(적어도 NP 문제들만큼 어려운 문제들) 문제들 둘 다에 속함)이다.
일부 실시예들에 따르면, 최대 독립 세트 문제에 대한 다양한 변형들이 있다. 본원에 논의된 실시예들은 그래프들의 클래스가 최대 독립 세트 문제의 최적화가 요구되는 디스크 그래프로 제한될 수 있는 문제들에 초점을 둔다. 단위 디스크 그래프들은 기하학적 교차 그래프(즉, 세트 패밀리의 교차 패턴을 나타내는 그래프들)의 특수한 경우로, 이는 특정 거리 내에 위치되는 정점들만이 인접해 있는 것으로 간주된다. 이러한 인터섹션 그래프들의 최적화 문제들은 제한하는 것은 아니나, 브로드캐스트 네트워크 설계, 맵 레이블링 및 시설에 대한 최적 위치의 결정에서 발생하는 문제들을 포함하여, 다양한 어플리케이션들에서 중요한 역할을 한다. 단위 디스크 그래프들에 대한 최대 독립 세트 문제는 NP-완전이다. 다항 시간 근사 알고리즘들이 존재하지만, 우수한 근사 비율을 달성하는 빠른 알고리즘은 아직 달성되지 않았다.
아래에서 더 상세히 논의되는 바와 같이, 개별적으로 트랩핑된 원자들을 포함하는 셋업은 단위 디스크 그래프들에 대한 최대 독립 세트 문제를 해결하기 위해 양자 알고리즘을 구현하는데 사용될 수 있다.
본원에 설명된 바와 같이, 최대 독립 세트 문제는 정점들(V) 및 에지들(E)의 세트를 갖는 무지향 그래프(G = (V, E))를 포함할 수 있다. 독립 세트는 정점들(S⊆V)의 서브셋이므로, S에서 두 정점들이 에지에 의해 연결되지 않도록 한다. 독립 세트의 예들은 도 11a 내지 11b를 참조한다. 도 11a는 빈 원과 검은 원의 조합들로 표시된 각기 다른 독립 세트들을 갖는 두 가지 그래프 예들을 도시한다. 각 경우의 최대 독립 세트가 우측에 묘사된다. 다시 말해, 최대 독립 세트는 가장 큰 독립 세트, 즉 가장 많은 수의 정점들을 갖는 독립 세트이다. 주의: 또한, 최대 독립 세트라는 개념이 있는데, 이는 독립적이 아닌 다른 정점을 추가할 수 없는 독립 세트이다. 최대 독립 세트는 최대 독립 세트들 중 가장 크다.
최대 독립 세트 문제의 일반화는 최대 가중치 독립 세트 문제이다. 일부 실시예들에 따르면, 무방향 가중 그래프(G = (V, W, E))는 관련 가중치들(W 및 에지 E)를 갖는 정점들(V)의 세트로 고려될 수 있다. 최대 가중치 독립 세트는 가장 큰 가중치를 갖는 독립 세트이다. 최대 독립 세트 문제는 결정 문제로 공식화될 수 있다. “그래프(G)가 주어지면, 독립 세트의 크기(k)가 있는가?". 이 결정 문제는 NP-완전이다. 이는 또한 최적화 문제로 공식화될 수 있다: “그래프(G)가 주어지면, 독립 세트들 중 최대 크기(k)를 찾으시오". 근사 최적화도 NP-하드(상수 팩터 내에서 k의 근사치)이다. 최대 독립 세트를 찾는 것은 최소 정점 커버를 찾는 것과 같다: 이는 이중 문제들이다. 이러한 원리들은 최대 가중치 독립 세트 문제들로 확장된다.
유클리드 공간에서 단위 거리(R) 내에 있는 정점들만이 에지에 의해 연결된 경우의 그래프를 단위 디스크 그래프라고 한다. 도 12는 단위 디스크 그래프의 예를 도시한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 정점들(1210)의 모든 쌍은 거리(R)가 에지(1220)에 의해 연결되는 것에 더 가깝다. 이는 각 정점 주위에 반경(R/2)의 디스크들(1230)을 그리고, 두 디스크들이 오버랩되는 경우 연결되는 것과 같다. 단위 디스크 그래프들의 최대 독립 단위 디스크 세트를 찾는 것은 여전히 NP-완성이라는 점에 유의한다.
일부 실시예들에 따르면, 원자 어레이는 단위 디스크 그래프들에 의해 제시된 것과 같은 문제들을 해결하기 위해 배열될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 리드베르그 원자들이 사용될 수 있으며, 여기서 리드베르그 구현(R)은 디스크들(1230)에 대응하는 봉쇄 반경의 역할을 한다. 이러한 구현들은 아래에 더 더욱 상세히 논의된다.
그래프가 주어지면, 최대 독립 세트는 고전적인 해밀턴식의 접지 상태로부터 찾을 수 있다. 이를 위해, 각 정점(nv ∈ {0, 1})에 고전 이징(Ising) 변수가 할당될 수 있다. 해밀턴식은 아래와 같이 표시된다
(5)
여기서, Uu,w > Δ > 0이다. H를 최소화하는 구성{nv}은 최대 독립 세트를 인코딩한다: 접지 상태에서 nv = 1인 모든 정점들은 최대 독립 세트를 형성한다. Un,m의 값은 이가 Δ보다 큰 한 중요하지 않다는 점에 유의한다.
게다가, (Un,m ≫ Δ 인 경우) 최저지대 에너지 상태들(lowest lying energy states)은 서로 다른 독립 세트들을 인코딩한다는 점과, 해당 에너지는 E = -kΔ 로서, 독립 세트의 크기(k)와 직접 관련되어 있다는 점에 유의한다.
MIS를 위한 양자 단열 알고리즘을 설계하기 위해, 해밀턴식은 이징 스핀의 각기 다른 구성들을 결합하는 용어의 추가를 포함하여 오퍼레이터 레벨로 승격될 수 있다. 예를 들어, 해밀턴식은 다음과 같이 쓸 수 있다
(6)
고전적인 이징 스핀 대신, 및 이 되도록, 상태들(|0〉및 |1〉)을 갖는 큐비트들이 있다. 따라서, 단열 알고리즘은, Δ(0)< 0, Δ(T)> 0, Ω(0)=Ω(T)=0 및 Ω(0<t<T)> 0이 되도록, |0〉에서 시간 t = 0에서 모든 큐비트들을 초기화한 다음, 시간(T) 동안 시간 종속적 해밀턴식 H(t) 하에서 시스템을 진화시킴으로써 획득될 수 있다. 특정 예로서, 를 갖는 을 고려한다. 이는 각 정점에 대해 파라미터(Δ(t))를 다르게 함으로써 최대 가중치 독립 세트 문제로 즉시 일반화됨에 유의한다.
일부 실시예들에 따르면, 상기에서 보다 상세히 설명된 개별 원자들 배열 및 조작하는 시스템 및 방법은 이러한 문제들을 인코딩하고 진화시키는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기에 보다 상세히 논의된 바와 같이 개별적으로 위치된 광학 트위저 세트는 각각 접지 상태(|0〉) 및 리드베르그 상태(|1〉)를 갖는 단일 원자를 트랩핑하는데 사용될 수 있다. 원자들은 접지 상태와 리드베르그 상태를 결합하는 라비 주파수(Ω(t))로 코히어런트하게 구동될 수 있다. 구동 필드의 주파수는 시간에 따라 변할 수, 시간 종속적 디튜닝(Δ(t))이 발생한다. 이러한 구동은 전체적일 수 있거나, 또는 대안적으로 각 원자가 특정 시간에 특정 필드로 개별적으로 구동될 수 있다. 두 원자들(u 및 v)이 리드베르그 상태에 있는 경우 이들은 상호작용하여, 두 트랩 위치들 사이의 기하학적 거리()에 따라 달라지는 양(Wu,v)만큼, 예를 들어, 만큼 이 구성의 에너지를 시프팅시킨다. 따라서 트랩핑된 원자들에 대한 이러한 어레이의 역학을 설명하는 해밀턴식은 다음과 같다:
(7)
인접한 부근에 트랩핑된 두 개의 원자들의 경우, 리드베르그 상태를 동시에 채우는데 에너지적으로 매우 많은 비용이 든다.
단위 디스크 그래프는 기하학적 해석을 갖기 때문에, 트랩들은 단위 디스크 그래프에서 정점들의 배열에 따라 배열될 수 있다. 길이 단위는 리드베르그 봉쇄 반경이 그래프의 단위 거리에 대응되도록, 즉 다음과 같도록 선택된다.
du,v < R인 경우, Wu,v > Δ(T) (8)
du,v > R인 경우, Wu,v < Δ(T) (9)
양자 최적화 알고리즘은 파라미터들 Ω(t) 및 Δ(t)를 서서히 변화시키고, 원자들이 리드베르그 상태에 있는 단부에서 측정함으로써 실험적으로 구현될 수 있다. 진화가 충분히 느린 경우, 이는 최대 독립 세트가 될 것이다. 진화가 완벽하게 단열되지는 않지만 주입된 에너지가 낮은 경우, 최종 상태는 일반적으로 "독립 세트 상태들"의 중첩(superposition)이 될 것이며, 이는 원자들이 봉쇄 반경 내에 있지 않는 경우 리드베르그 상태에 있는 원자들을 가진 구성이다. 시간(T)이 클수록 프로토콜이 달성될 수 있는 근사 비율이 더 좋아진다.
상기에 설명된 MIS 문제들을 인코딩하는 방법은 봉쇄 상호작용보다 작은 상호작용들을 무시한다. 롱테일 상호작용이 포함되는 경우, 트랩들의 기하학적 배열은 모든 트랩들(v)이 에 의해 정의되도록 선택될 수 있으며, 여기서 는 봉쇄 반경 외부의 상호작용들로 인해 정점(v)에서 리드베르그 상태의 원자에 대해 발생할 수 있는 가장 큰 가능한 에너지 시프트이다. 따라서, 
가 작은 한(즉, 봉쇄 반경 외부의 원자들 간의 상호작용들이 될 수 있는 한), 양자 알고리즘은 최대 독립 세트 문제에 대한 해결책을 제공(또는 근사)한다.
도 13a는 단위 디스크 그래프의 예를 도시하며, 최대 독립 세트를 나타낸다. 도 13a에 도시된 바와 같이, 단위 디스크 그래프는 25개의 정점들(작은 원들(1310)) 및 2.7의 정점 밀도를 갖는다. 큰 원들(1330)의 중심에서의 정점들(1320)은 최대 독립 세트(하나 이상 존재함)로 구성된다. 더 큰 원들(1330)은 봉쇄 반경을 나타낸다. 도 13b는 양자 알고리즘이 시간(T) 동안 실행될 때 독립 세트의 크기(k)를 찾는 확률 분포를 도시한다. 시간(T)이 길수록, 알고리즘이 큰(또는 심지어 최대) 독립 세트를 나타낼 확률이 높아진다. 독립 세트의 크기의 확률 분포는 시간(T)을 갖는 해밀턴식 2 하에서 진화 후 단열 알고리즘에 의해 발견되었다. 여기서 단위들은 및 이 되도록 한다. 이미 시간(T ~ 5) 동안 전역 최적해(global optimum)를 찾을 확률은 상당하다.
본 개시에 설명된 기술들은 또한 다수의 변형들 또는 어플리케이션들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 원자들의 코히어런스 특성들은 자발적 방출을 더 억제하기 위해 중간 상태 디튜닝을 증가시키고 잔여 도플러 시프트를 제거하기 위해 원자 모션을 접지 상태로 라만 사이드밴드 냉각시킴으로써 개선될 수있다. z-축 주변의 개별 큐비트 회전들은 트랩 라이트와 관련된 광 시프트들을 사용하여 구현될 수 있는 반면, 제2 AOD는 다른 방향 주변의 코히어런트 회전들의 개별 제어에 사용될 수 있다. 코히어런스 및 제어 가능성에 있어서의 추가 개선은 큐비트를 전자 접지 상태의 초미세 서브 레벨들로 인코딩하고 상태 선택적 리드베르그 여기를 사용하여 얻어질 수 있다. 2차원(2d)을 구현하면 수천 개의 트랩을 만들도록 구현될 수 있다. 이러한 2d 구성들은 2d-AOD를 직접 사용하거나, 정적 2d 트랩들의 격자를 만들고 독립적인 AOD를 갖는 원자들을 소팅함으로써 구현될 수 있다.
개시된 주제는 그 적용에서 다음의 설명에서 설명되거나 도면에 예시된 구성 요소들의 세부 구성 및 배열들로 제한되지 않음을 이해해야 한다. 개시된 주제는 다른 실시예들이 가능하고 다양한 방식들로 실시되고 수행될 수 있다. 또한, 본원에 사용된 어법 및 용어는 설명을 위한 목적을 위한 것이며 제한하는 것으로 간주되어서는 안된다는 것을 이해해야 한다.
이와 같이, 당업자는 본 개시의 기초가 되는 개념이 개시된 주제의 여러 목적들을 수행하기 위한 기타 구조들, 방법들 및 시스템들의 설계를 위한 기초로서 쉽게 이용될 수 있음을 이해할 것이다. 따라서, 청구 범위는 개시된 주제의 사상 및 범위를 벗어나지 않는 한 이러한 등가의 구성들을 포함하는 것으로 간주된다는 것이 중요하다.
개시된 주제가 전술한 예시적인 실시예들에서 설명 및 예시되었지만, 본 개시는 단지 예에 의해서만 이루어졌으며, 개시된 주제의 구현에 대한 세부 사항의 많은 변경들이 개시된 주제의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 이루어질 수 있으며, 이는 다음의 청구 범위에 의해서만 제한된다는 것이 이해된다.
특정 AOD들 또는 레이저 시스템들과 같은 본원에 개시된 기술들 및 시스템들은 예를 들어 네트워크, 컴퓨터 시스템 또는 컴퓨터 전자 장치와 함께 사용하기 위한 컴퓨터 프로그램 제품을 사용함으로써 제어될 수 있다. 이러한 구현들은 컴퓨터 판독 가능 매체(예를 들어, 디스켓, CD-ROM, ROM, 플래시 메모리 또는 기타 메모리 또는 고정 디스크)와 같은 유형의 매체 상에 고정되거나, 모뎀이나 또는 매체를 통해 네트워크에 연결된 통신 어댑터와 같은 다른 인터페이스 장치를 통해 네트워크, 컴퓨터 시스템 또는 장치로 전송 가능한 일련의 컴퓨터 인스트럭션들 또는 로직을 포함할 수 있다.
매체는 유형의 매체(예를 들어, 광 또는 아날로그 통신 라인들)이거나 무선 기술들(예를 들어, Wi-Fi, 셀룰러, 마이크로파, 적외선 또는 기타 전송 기술들)로 구현된 매체일 수 있다. 일련의 컴퓨터 인스트럭션들은 시스템과 관련하여 본원에 설명된 기능의 적어도 일부를 구현한다. 당업자는 이러한 컴퓨터 인스트럭션들이 많은 컴퓨터 아키텍처들 또는 운영 체제들과 함께 사용하기 위해 다수의 프로그래밍 언어들로 작성될 수 있음을 알아야 한다.
더욱이, 이러한 인스트럭션들은 반도체, 자기, 광학 또는 기타 메모리 장치들과 같은 임의의 유형의 메모리 장치에 저장될 수 있으며, 광학, 적외선, 마이크로파 또는 기타 전송 기술들과 같은 임의의 통신 기술을 사용하여 전송될 수 있다.
이러한 컴퓨터 프로그램 제품은 함께 제공되는 인쇄 또는 전자 문서(예를 들어, 개별 포장 소프트웨어)와 함께 이동식 매체로 배포되거나, 컴퓨터 시스템(예를 들어, 시스템 ROM 또는 고정 디스크에)이 사전 로드되거나, 또는 네트워크(예를 들어, 인터넷 또는 월드 와이드 웹)를 통한 서버 또는 전자 게시판으로부터 배포될 수 있다고 예상된다. 물론, 본 발명의 일부 실시예들은 소프트웨어(예를 들어, 컴퓨터 프로그램 제품) 및 하드웨어 둘 다의 조함으로 구현될 수 있다. 여전히 본 발명의 다른 실시예들은 완전히 하드웨어로 또는 완전히 소프트웨어(예를 들어, 컴퓨터 프로그램 제품)로 구현된다.
상술한 설명에서, 특정 단계들 또는 프로세스들은 특정 서버들에서 또는 특정 엔진의 일부로서 수행될 수 있다. 이러한 설명들은, 특정 단계들이 제한하는 것은 아니나, 서버 시스템들 및/도는 모바일 장치들을 포함하여, 다양한 하드웨어 장치들에서 수행될 수 있으므로, 단지 예시적인 것에 불과하다. 대안으로 또는 추가로, 본원에 설명된 임의의 또는 모든 단계들은 물리적 서버 자체에서 실행되는 가상 머신 상에서 수행될 수 있다. 마찬가지로, 특정 단계들이 수행되는 지점의 분할은 다양할 수 있으며, 분할되지 않거나 다른 분할이 본 발명의 범위 내에 있지 않음이 이해된다. 또한, "모듈"의 사용 및/또는 컴퓨터 시스템 처리를 설명하는데 사용된 기타 용어들은 상호 교환 가능하며, 기능이 실행될 수 있는 로직 또는 회로를 나타내는 것으로 의도된다.
Claims (44)
- 제1 어레이 상태의 원자들의 어레이를 형성하는 단계를 포함하는 방법으로서,
상기 형성하는 단계는
홀드 트랩 어레이의 복수의 원자들을 트랩핑하는 단계로서, 상기 홀드 트랩 어레이가 적어도 3개의 구속 영역들을 갖고, 상기 홀드 트랩 어레이가 적어도 하나의 홀드 음향-광 디플렉터(AOD), 공간 광 변조기(SLM), 또는 광학 격자 중 적어도 하나에 의해 생성되는 단계;
제1 제어 음향-광 디플렉터(AOD) 및 제2 제어 AOD를 각각 제1 복수 및 제2 복수의 개별 조정 가능한 음향 톤 주파수들로 여기시키는 단계,
제1 제어 음향-광 디플렉터(AOD) 및 제2 제어 AOD를 통해 레이저를 통과시키는 단계;
상기 트랩핑된 원자들을 포함하는 상기 구속 영역들과 상기 개별 조정 가능한 음향 톤 주파수들을 상관(correlating)시키는 단계, 및
적어도 하나의 상관된 음향 톤의 적어도 하나의 주파수를 스위핑(sweeping)시킴으로써, 복수의 원자들의 위치를 상기 홀드 트랩 어레이의 행으로 조정하는 단계를 포함하고,
상기 방법은
상기 트랩핑된 원자들 중 적어도 일부를 여기 상태로 전이시키기 위해 상기 트랩핑된 원자들 중 적어도 일부를 광자 에너지에 노출(subjecting)시킴으로써 상기 제1 어레이 상태의 상기 복수의 원자들을 제2 어레이 상태의 복수의 원자들로 진화시키는 단계; 및
상기 제2 어레이 상태의 상기 복수의 원자들을 관찰하는 단계를 추가로 포함하는, 방법. - 제1항에 있어서, 상기 복수의 원자들을 진화시키는 단계가 상기 원자들 중 적어도 일부를 광자 에너지에 노출시키기 전에 상기 제1 어레이 상태의 상기 원자들 중 적어도 일부를 그들의 접지 상태의 제만(Zeeman) 서브 레벨로 준비하는 단계를 포함하고;
상기 제1 어레이 상태의 상기 원자들 중 적어도 일부를 그들의 접지 상태의 제만 서브 레벨로 준비하는 단계가 자기장에서 광학 펌핑하는 것을 포함하는, 방법. - 제1항에 있어서, 상기 원자들 중 상기 적어도 일부를 광자 에너지에 노출시키는 단계가 두 개의 상이한 파장들을 갖는 광을 적용하는 것을 포함하고, 상기 두 개의 상이한 파장들이 420 nm 및 1013 nm이고, 상기 원자들 중 상기 적어도 일부의 상기 여기 상태로의 전이가 두 개의 광자 전이를 포함하고;
제3 파장을 갖는 위상 게이트를 적용하는 단계를 추가로 포함하고,
상기 제3 파장이 809 nm인, 방법. - 제1항에 있어서, 상기 원자들 중 상기 적어도 일부를 광자 에너지에 노출시키는 단계가 두 개의 하프-파이(half-pi) 펄스들을 적용하는 것을 포함하고;
상기 원자들 중 상기 적어도 일부를 광자 에너지에 노출시키는 단계가 상기 두 개의 하프-파이 펄스들 사이에 파이(pi) 펄스를 적용하는 것을 추가로 포함하는, 방법. - 제1항에 있어서,
양자 컴퓨팅 문제를 실행하기 위해 상기 제1 어레이 상태의 상기 원자들의 어레이를 인코딩하는 단계;
상기 양자 컴퓨팅 문제에 대한 해결책을 생성하는 단계; 및
상기 양자 컴퓨팅 문제 해결책을 판독하는 단계를 추가로 포함하고,
상기 양자 컴퓨팅 문제를 실행하기 위해 상기 원자들의 어레이를 인코딩하는 단계가 적어도 하나의 상관된 음향 톤의 적어도 하나의 주파수를 스위핑시킴으로써 복수의 원자들의 위치를 상기 홀드 트랩 어레이의 행으로 조정하는 것을 포함하고;
상기 양자 컴퓨팅 문제에 대한 해결책을 생성하는 단계가 상기 제1 어레이 상태의 상기 복수의 원자들을 상기 제2 어레이 상태의 상기 복수의 원자들로 진화시키는 것을 포함하고;
상기 양자 컴퓨팅 문제 해결책을 판독하는 단계가 상기 제2 어레이 상태의 상기 복수의 원자들을 관찰하는 것을 포함하는, 방법. - 제5항에 있어서, 상기 양자 컴퓨팅 문제가 이징(Ising)-문제 및 최대 독립 세트(MIS) 최적화 문제 중 적어도 하나를 포함하는, 방법.
- 홀드 트랩 어레이의 제1 어레이 상태의 원자들을 배열하기 위한 구속 시스템을 포함하는 시스템으로서,
상기 구속 시스템이
적어도 3개의 구속 영역들을 갖는 홀드 트랩 어레이로서, 상기 홀드 트랩 어레이가 적어도 하나의 홀드 음향-광 디플렉터(AOD), 공간 광 변조기(SLM), 또는 광학 격자 중 적어도 하나에 의해 생성되는 홀드 트랩 어레이;
상호 관계에 있는, 제1 제어 음향-광 디플렉터(AOD) 및 제2 제어 AOD,
상기 제1 및 제2 AOD에 복수의 개별 조정 가능한 음향 톤 주파수들을 선택적으로 적용하고, 적어도 하나의 음향 톤의 적어도 하나의 주파수를 스위핑시킴으로써, 복수의 원자들의 위치를 상기 홀드 트랩 어레이의 행으로 조정하도록 구성된 조정 가능한 음향 톤 주파수 어플리케이션 소스로서, 상기 개별 조정 가능한 음향 톤 주파수들이 상기 원자들을 포함하는 상기 구속 영역과 상관되는, 조정 가능한 음향 톤 주파수 어플리케이션 소스, 및
제1 및 제2 AOD를 통해 광을 통과시키도록 배열된 레이저 광 소스,
원자 클라우드의 소스로서, 상기 원자 클라우드가 상기 복수의 구속 영역들과 적어도 부분적으로 오버랩되게 위치시키도록 구성된 원자 클라우드의 소스;
상기 제1 어레이 상태의 상기 트랩 어레이의 상기 복수의 원자들 중 적어도 일부를 제2 어레이 상태의 복수의 원자들로 진화시키기 위한 여기 소스로서, 적어도 하나의 광자 에너지 소스를 포함하는, 여기 소스;
상기 제2 어레이 상태의 상기 복수의 원자들을 관찰하기 위한 관찰 시스템을 포함하는, 시스템. - 제7항에 있어서, 상기 여기 소스가 상기 제1 어레이 상태의 상기 복수의 원자들 중 적어도 일부를 리드베르그 상태로 여기시키도록 구성되는, 시스템.
- 제7항에 있어서, 상기 여기 소스가 상기 제1 어레이 상태의 상기 복수의 원자들 중 상기 적어도 일부를 상기 원자들 중 상기 적어도 일부를 광자 에너지에 노출시키기 전에 그들의 접지 상태의 제만 서브 레벨로 여기시키도록 구성되고;
상기 여기 소스가 광학 펌핑 시스템 및 자기장 생성기를 추가로 포함하는, 시스템. - 제7항에 있어서, 상기 적어도 하나의 광자 에너지 소스가 상기 제1 어레이 상태의 상기 복수의 원자들 중 상기 적어도 일부의 두 개의 광자 전이를 생성하기 위한 제1 파장 및 제2 파장을 갖는 광원들을 포함하고,
상기 제1 파장이 420 nm이고, 상기 제2 파장이 1013 nm이고;
상기 적어도 하나의 광자 에너지 소스가 위상 게이트를 적용하기 위한 제3 파장을 갖는 소스를 포함하고,
상기 제3 파장이 809 nm인, 시스템. - 제10항에 있어서, 여기 소스는 두 개의 하프-파이 펄스들을 적용하도록 구성되고;
여기 소스는 상기 두 개의 하프-파이 펄스들 사이에 파이 펄스를 적용하도록 구성되는, 시스템. - 삭제
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CA3102913A1 (en) | 2017-07-13 | 2019-01-17 | President And Fellows Of Harvard College | Neutral atom quantum information processor |
| US11004009B2 (en) * | 2018-01-04 | 2021-05-11 | University Of Maryland, College Park | Optical control of atomic quantum bits for phase control of operation |
| US11809959B2 (en) * | 2018-04-12 | 2023-11-07 | Microsoft Technology Licensing, Llc | Hamiltonian simulation in the interaction picture |
| US11556829B2 (en) * | 2018-07-20 | 2023-01-17 | University Of Maryland, College Park | Multi-qubit control with acousto-optic modulators |
| US11580435B2 (en) * | 2018-11-13 | 2023-02-14 | Atom Computing Inc. | Scalable neutral atom based quantum computing |
| US10504033B1 (en) * | 2018-11-13 | 2019-12-10 | Atom Computing Inc. | Scalable neutral atom based quantum computing |
| EP3928142B1 (en) | 2019-02-22 | 2023-04-05 | President and Fellows of Harvard College | Large-scale uniform optical focus array generation with a phase spatial light modulator |
| WO2021112948A1 (en) * | 2019-12-02 | 2021-06-10 | Massachusetts Institute Of Technology | Optical holographic addressing of atomic quantum bits |
| WO2021127779A1 (en) * | 2019-12-22 | 2021-07-01 | The Governing Council Of The University Of Toronto | Method and system for efficient quantum optical design using non-linear mappings |
| CN111207853B (zh) * | 2020-01-19 | 2021-07-06 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 一种选定区域内冷原子温度的测量方法 |
| GB2592386A (en) * | 2020-02-26 | 2021-09-01 | Univ Southampton | Method of optical pulse delivery to multiple locations on a substrate |
| KR20220149584A (ko) | 2020-03-02 | 2022-11-08 | 아톰 컴퓨팅 인크. | 확장 가능한 중성 원자 기반 양자 컴퓨팅 |
| US20210279628A1 (en) * | 2020-03-07 | 2021-09-09 | ColdQuanta, Inc. | Transport-based qubit-array loading |
| WO2021231378A2 (en) * | 2020-05-12 | 2021-11-18 | Quera Computing Incorporated | Methods and apparatus for arranging atoms in arrays |
| US20210398009A1 (en) * | 2020-06-22 | 2021-12-23 | Vladan Vuletic | All-to-All Coupled Quantum Computing with Atomic Ensembles in an Optical Cavity |
| US11893452B2 (en) * | 2020-06-25 | 2024-02-06 | ColdQuanta, Inc. | Quantum circuit with tailored Rydberg states |
| US20230408447A1 (en) * | 2020-10-19 | 2023-12-21 | Brown University | Multi-dimensional rydberg fingerprint spectroscopy |
| WO2022132388A2 (en) * | 2020-11-20 | 2022-06-23 | President And Fellows Of Harvard College | Topological qubits in a quantum spin liquid |
| EP4016400A1 (en) * | 2020-12-15 | 2022-06-22 | Universität Stuttgart | Quantum computing device, use, and method |
| CN114696914B (zh) * | 2020-12-31 | 2023-07-25 | 中国科学院半导体研究所 | 相干伊辛机及组合优化问题的解决方法 |
| CN112819169B (zh) * | 2021-01-22 | 2021-11-23 | 北京百度网讯科技有限公司 | 量子控制脉冲生成方法、装置、设备及存储介质 |
| WO2022165134A1 (en) * | 2021-01-29 | 2022-08-04 | Qunnect, Inc. | Systems and methods for performing quantum telecommunications using a bichromatic entanglement source |
| US20220262535A1 (en) * | 2021-02-18 | 2022-08-18 | ColdQuanta, Inc. | Quantum system with multi-wavelength array trap |
| US20220261675A1 (en) * | 2021-02-18 | 2022-08-18 | ColdQuanta, Inc. | Quantum system with multiple-wavelength array trap |
| EP4348516A1 (en) * | 2021-05-28 | 2024-04-10 | Atom Computing Inc. | Scalable neutral atom based quantum computing |
| CN113360842B (zh) * | 2021-06-29 | 2022-11-22 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 快速全局解耦的液晶变形镜自适应光学系统波前控制方法 |
| EP4371042A2 (en) * | 2021-07-16 | 2024-05-22 | President and Fellows of Harvard College | Dispersive optics for scalable raman driving of hyperfine qubits |
| US20230049490A1 (en) | 2021-08-02 | 2023-02-16 | Quantinuum Llc | Broadband sympathetic electromagnetically-induced transparency (eit) cooling |
| CN113688995B (zh) * | 2021-08-06 | 2023-09-26 | 北京量子信息科学研究院 | 一种量子系统控制方法和装置 |
| EP4141750A1 (en) * | 2021-08-23 | 2023-03-01 | Multiverse Computing S.L. | Laser-based methods, devices and systems for quantum classification and operation control |
| WO2023230390A2 (en) * | 2022-03-25 | 2023-11-30 | President And Fellows Of Harvard College | Quantum optimization with rydberg atom arrays |
| US11875227B2 (en) | 2022-05-19 | 2024-01-16 | Atom Computing Inc. | Devices and methods for forming optical traps for scalable trapped atom computing |
| US20240096513A1 (en) * | 2022-09-15 | 2024-03-21 | Dora Chavez | Magneto-optical trap system |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007233041A (ja) | 2006-03-01 | 2007-09-13 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 量子演算装置及び量子演算方法 |
| US20160064108A1 (en) | 2014-09-02 | 2016-03-03 | Wisconsin Alumni Research Foundation | System and method for optical confinement of atomic particles |
| JP2017078832A (ja) | 2015-10-22 | 2017-04-27 | 株式会社ジェイテクト | 微粒子捕捉方法及び光ピンセット装置 |
Family Cites Families (42)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3872470A (en) * | 1973-04-18 | 1975-03-18 | Airco Inc | Audible signal generating apparatus having selectively controlled audible output |
| US4479199A (en) * | 1981-03-23 | 1984-10-23 | Friedlander Marc A | Information storage system using a photon echo medium |
| US5684621A (en) * | 1995-05-08 | 1997-11-04 | Downing; Elizabeth Anne | Method and system for three-dimensional display of information based on two-photon upconversion |
| US6988058B1 (en) * | 1998-12-16 | 2006-01-17 | The Regents Of The University Of California | Quantum computation with quantum dots and terahertz cavity quantum electrodynamics |
| WO2001076026A1 (en) * | 2000-03-30 | 2001-10-11 | National Institute Of Standards And Technology ('nist') | Mode-locked pulsed laser system and method |
| GB0205011D0 (en) * | 2002-03-04 | 2002-04-17 | Univ London | A gate for information processing |
| US7307275B2 (en) | 2002-04-04 | 2007-12-11 | D-Wave Systems Inc. | Encoding and error suppression for superconducting quantum computers |
| GB0329012D0 (en) | 2003-12-15 | 2004-01-14 | Univ Cambridge Tech | Hologram viewing device |
| US7533068B2 (en) | 2004-12-23 | 2009-05-12 | D-Wave Systems, Inc. | Analog processor comprising quantum devices |
| US7870087B2 (en) | 2006-11-02 | 2011-01-11 | D-Wave Systems Inc. | Processing relational database problems using analog processors |
| US7984012B2 (en) | 2006-11-02 | 2011-07-19 | D-Wave Systems Inc. | Graph embedding techniques |
| JP5008954B2 (ja) | 2006-11-28 | 2012-08-22 | 浜松ホトニクス株式会社 | 光ビーム発生装置 |
| JP4994826B2 (ja) | 2006-12-25 | 2012-08-08 | オリンパス株式会社 | レーザ顕微鏡 |
| US7966549B2 (en) | 2007-03-01 | 2011-06-21 | Qucor Pty. Ltd. | Error corrected quantum computer |
| US7985965B2 (en) * | 2007-03-29 | 2011-07-26 | Raytheon Company | Quantum computing device and method including qubit arrays of entangled states using negative refractive index lenses |
| US20080313430A1 (en) | 2007-06-12 | 2008-12-18 | Bunyk Paul I | Method and system for increasing quantum computer processing speed using digital co-processor |
| US8151174B2 (en) | 2008-02-13 | 2012-04-03 | Sunrise IP, LLC | Block modulus coding (BMC) systems and methods for block coding with non-binary modulus |
| US9317473B2 (en) | 2010-12-14 | 2016-04-19 | President And Fellows Of Harvard College | Scalable room temperature quantum information processor |
| GB2498170B (en) | 2011-10-26 | 2014-01-08 | Two Trees Photonics Ltd | Frame inheritance |
| US10041971B2 (en) * | 2012-08-22 | 2018-08-07 | President And Fellows Of Harvard College | Nanoscale scanning sensors |
| JP6143325B2 (ja) * | 2013-01-11 | 2017-06-07 | 大学共同利用機関法人情報・システム研究機構 | イジングモデルの量子計算装置及びイジングモデルの量子計算方法 |
| JP6094750B2 (ja) * | 2013-03-29 | 2017-03-15 | セイコーエプソン株式会社 | 量子干渉装置、原子発振器、磁気センサー及び量子干渉装置の製造方法 |
| US9858531B1 (en) | 2013-08-02 | 2018-01-02 | University Of Maryland | Fault tolerant scalable modular quantum computer architecture with an enhanced control of multi-mode couplings between trapped ion qubits |
| WO2015168557A1 (en) | 2014-05-01 | 2015-11-05 | Lockheed Martin Corporation | Quantum-assisted training of neural networks |
| US10229365B2 (en) * | 2014-11-03 | 2019-03-12 | Newsouth Innovations Pty Limited | Apparatus and method for quantum processing |
| WO2016179419A1 (en) | 2015-05-05 | 2016-11-10 | Kyndi, Inc. | Quanton representation for emulating quantum-like computation on classical processors |
| ES2850151T3 (es) | 2015-06-29 | 2021-08-25 | Parity Quantum Computing GmbH | Dispositivo y procedimiento de procesamiento cuántico |
| CN115759267A (zh) * | 2015-11-27 | 2023-03-07 | 光子公司 | 用于与自旋存储的量子信息交互的系统、装置及方法 |
| US10789540B2 (en) | 2016-04-18 | 2020-09-29 | D-Wave Systems Inc. | Systems and methods for embedding problems into an analog processor |
| CN106980178B (zh) | 2017-03-24 | 2019-05-31 | 浙江大学 | 一种位相型LCoS图像信号处理方法以及近眼显示系统 |
| CA3102913A1 (en) | 2017-07-13 | 2019-01-17 | President And Fellows Of Harvard College | Neutral atom quantum information processor |
| GB2567408B (en) | 2017-08-02 | 2020-12-02 | Dualitas Ltd | Holographic projector |
| WO2020047444A1 (en) | 2018-08-31 | 2020-03-05 | President And Fellows Of Harvard College | Quantum computing for combinatorial optimization problems using programmable atom arrays |
| CA3112817A1 (en) | 2018-10-05 | 2020-04-09 | President And Fellows Of Harvard College | Quantum convolutional neural networks |
| EP3928142B1 (en) | 2019-02-22 | 2023-04-05 | President and Fellows of Harvard College | Large-scale uniform optical focus array generation with a phase spatial light modulator |
| JP2022532234A (ja) | 2019-05-17 | 2022-07-13 | プレジデント アンド フェローズ オブ ハーバード カレッジ | 原子メモリの多重化光学アドレッシングのための系および方法 |
| EP3997631A1 (en) | 2019-07-11 | 2022-05-18 | President and Fellows of Harvard College | System and method for parallel implementation of multi-qubit quantum gates |
| WO2021141918A1 (en) | 2020-01-06 | 2021-07-15 | President And Fellows Of Harvard College | System and method for quantum sampling from a probability distribution |
| JP2023552091A (ja) | 2020-11-20 | 2023-12-14 | プレジデント アンド フェローズ オブ ハーバード カレッジ | 量子スピン液体におけるトポロジカルキュービット |
| WO2022132388A2 (en) | 2020-11-20 | 2022-06-23 | President And Fellows Of Harvard College | Topological qubits in a quantum spin liquid |
| EP4292024A1 (en) | 2021-02-12 | 2023-12-20 | President and Fellows of Harvard College | Ultrafast detector of rydberg atoms |
| CA3219669A1 (en) | 2021-05-27 | 2023-01-19 | Iris CONG | Fault-tolerant quantum computation |
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Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007233041A (ja) | 2006-03-01 | 2007-09-13 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 量子演算装置及び量子演算方法 |
| US20160064108A1 (en) | 2014-09-02 | 2016-03-03 | Wisconsin Alumni Research Foundation | System and method for optical confinement of atomic particles |
| JP2017078832A (ja) | 2015-10-22 | 2017-04-27 | 株式会社ジェイテクト | 微粒子捕捉方法及び光ピンセット装置 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| D. Barredo et al. An atom-by-atom assembler of defect-free arbitrary two-dimensional atomic arrays. Science, 2016, 354(6315), 1021-1023 |
| H. Bernien et al. Probing many-body dynamics on a 51-atom quantum simulator. Nature, 2017, 551(7682), 579-584 |
| H. Labuhn et al. Realizing quantum Ising models in tunable two-dimensional arrays of single Rydberg atoms. arXiv preprint arXiv:1509.04543, 2015 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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