Limiti al controllo dei qubit atomici dal rumore laser

npj Quantum Information volume 8, numero articolo: 72 (2022) Citare questo articolo

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Il rumore tecnico presente nei sistemi laser può limitare la loro capacità di eseguire un controllo quantistico ad alta fedeltà dei qubit atomici. La massima fedeltà per i qubit atomici guidati con radiazione laser è dovuta all’emissione spontanea da livelli di energia eccitati. L'obiettivo è sopprimere il rumore tecnico dalla sorgente laser al di sotto del livello di emissione spontanea in modo tale che non costituisca più un fattore limitante. È stato dimostrato che la struttura spettrale del rumore di controllo può avere una grande influenza sulla fedeltà di controllo ottenibile, mentre studi precedenti sui contributi del rumore laser erano limitati alle magnitudini del rumore. Qui studiamo la struttura spettrale unica del rumore laser e introduciamo una metrica che determina quando una sorgente laser stabilizzata è stata ottimizzata per il controllo quantistico dei qubit atomici. Troviamo requisiti sulle larghezze di banda di stabilizzazione che possono essere ordini di grandezza superiori a quelli richiesti per restringere semplicemente la larghezza di linea di un laser. La metrica introdotta, la linea di separazione χ, fornisce uno strumento per lo studio e l'ingegnerizzazione di sorgenti laser per il controllo quantistico dei qubit atomici al di sotto del livello di emissione spontanea.

Il laser è diventato uno strumento inestimabile nel controllo dei sistemi atomici a causa delle transizioni elettroniche negli atomi che tipicamente hanno lunghezze d'onda ottiche. L'applicazione del laser al campo dell'informazione quantistica è stata particolarmente efficace1,2,3,4 ed è stato dimostrato il controllo di un singolo qubit atomico al livello di errore 10−45,6. L'uso della radiazione laser per manipolare i livelli di energia atomica sarà fondamentalmente limitato dall'emissione spontanea (SE), sia a causa della durata finita dei qubit memorizzati nelle transizioni ottiche, sia a causa dello scattering fuori risonanza durante le transizioni Raman a due fotoni. Tuttavia, non sono state effettuate dimostrazioni sperimentali al livello di errore SE, in parte a causa delle fonti di rumore tecnico che dominano gli errori dei qubit. È interessante comprendere e ridurre l'errore tecnico al piano SE per consentire un calcolo quantistico con tolleranza ai guasti a basso sovraccarico.

Una fonte di rumore tecnico dominante è l’oscillatore locale (LO) che interagisce con il qubit per il controllo quantistico. In questo articolo consideriamo i LO derivati ​​dalla radiazione laser. Studi precedenti hanno collegato la fedeltà dei qubit all'entità totale del rumore laser7,8,9,10,11,12 ed è stato dimostrato che la struttura spettrale dei campi di rumore LO può avere un'influenza critica sulla fedeltà dei qubit attraverso uno studio della fase rumore nelle sorgenti di microonde13. È stato studiato anche l'effetto di specifici spettri di rumore laser sull'eccitazione di Rydberg14. Qui, identifichiamo le condizioni generali sulla struttura spettrale della frequenza e dell'intensità del rumore della radiazione laser per ridurre questi errori tecnici al, o al di sotto, del pavimento SE. Ci concentriamo strettamente sull'influenza del rumore laser sulla transizione del qubit in assenza di altre transizioni vicine che potrebbero portare a ulteriori percorsi di errore. È stato precedentemente riconosciuto che la struttura spettrale del rumore laser può interagire con le modalità di movimento degli ioni intrappolati10,15.

Troviamo che, contrariamente alla credenza comune10,16,17, restringere la larghezza della linea LO da sola non è sufficiente per il controllo dei qubit ad alta fedeltà. La larghezza di linea effettiva sperimentata dal qubit è maggiore di quella data da una semplice misurazione FWHM (intera larghezza-metà massimo) della larghezza di linea LO. Questo perché il rumore della banda laterale ad alta frequenza sulla portante LO può avere un effetto considerevole sulla fedeltà dei qubit e le tecniche di stabilizzazione sono limitate nella larghezza di banda di controllo15,18,19,20.

Troviamo che il rumore della frequenza laser è una considerazione primaria, poiché dimostriamo che l'infedeltà dei qubit derivante dal rumore di intensità laser limitato dal rumore di sparo è sempre al di sotto del pavimento SE, in tutte le specie atomiche e i tipi di qubit comunemente usati. In pratica, le sorgenti laser sono raramente limitate dal rumore di sparo e descriviamo i requisiti sulle larghezze di banda di stabilizzazione del rumore di intensità per sopprimere questi errori al di sotto del pavimento SE.