Fast quantum logic gates using optically trapped neutral atom arrays

使用光捕获中性原子阵列的快速量子逻辑门

基本信息

  • 批准号:
    0653408
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 83万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Continuing Grant
  • 财政年份:
    2007
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2007-07-01 至 2010-06-30
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

The application of controlled quantum dynamics to computational problems has been one of the most important developments in information science in the last two decades. This project studies the use of optically trapped arrays of neutral Rb atoms for creating a multi-qubit quantum information processor. Focused laser beams will be used to manipulate the quantum states of the atoms. Single qubit rotations between internal ground states will be performed by optically stimulated Raman transitions. Two-qubit conditional logic operations will be performed by coupling the atoms to highly excited Rydberg states. The Rydberg states of neutral atoms have strong dipole-dipole interactions which provide a mechanism for fast conditional logic gates with high fidelity. It is projected that single and two-qubit gates will be possible at speeds greater than 1 MHz. The use of Rydberg interactions for deterministic loading of single atoms which will result in a scalable multi-qubit device will also be studied experimentally. As part of this work new knowledge will be gained on the dynamics of strongly interacting Rydberg atoms. The project includes new technical developments in high speed Rydberg state excitation and low-decoherence optical traps which will advance the state of the art for optical manipulation of the external and internal states of cold atoms. The broader impacts of this work are twofold. First, this research is an important step towards realizing the dream of a large scale quantum processor that exceeds the capabilities of conventional classical computers. The availability of such a device will have far reaching impact on numerical mathematics, information security, and problems in the simulation of quantum systems related to the development of new, technologically valuable materials. Second, the research program will contribute to the training of students and postdoctoral researchers for careers in science and engineering. People from diverse backgrounds will be educated and trained in modern experimental science, as well as in abstract concepts that bridge the boundary between physics and information science. Training will occur via curriculum enrichments, and through direct participation in our University based research program. We will also inform the local community about the importance of physics to information technology, and the new developments in the area of quantum information science. Outreach to the public will be facilitated by public visiting days at the Physics department, laboratory tours, and faculty visits to local schools.
在过去的二十年中,将受控量子动力学应用于计算问题一直是信息科学中最重要的发展之一。该项目研究中性RB原子的光学捕获阵列用于创建多量量子信息处理器。聚焦激光束将用于操纵原子的量子状态。内部基态之间的单量子旋转将通过光学刺激的拉曼过渡进行。通过将原子耦合到高度激发的rydberg状态,将进行两分的条件逻辑操作。 中性原子的rydberg状态具有较强的偶极 - 偶极相互作用,这为具有高忠诚度的快速条件逻辑门提供了一种机制。预计以大于1 MHz的速度将有可能单一和两倍的大门。还将通过实验研究Rydberg相互作用来确定单个原子的确定性负载,这将导致可扩展的多Qubit设备。 作为这项工作的一部分,新知识将获得强烈相互作用的Rydberg原子的动态。该项目包括高速Rydberg State激发和低确定性光学陷阱的新技术发展,这将推动最先进的状态,以对冷原子的外部和内部状态进行光学操纵。这项工作的更广泛影响是双重的。首先,这项研究是实现超过传统古典计算机功能的大规模量子处理器梦想的重要一步。这种设备的可用性将对与新的,技术有价值的材料的开发相关的量子系统模拟中的数值数学,信息安全和问题产生很大的影响。其次,该研究计划将有助于培训学生和博士后研究人员的科学和工程职业。 来自不同背景的人将接受现代实验科学的教育和培训,以及弥合物理学和信息科学之间边界的抽象概念。培训将通过课程丰富进行,并通过直接参与我们的大学研究计划进行培训。我们还将告知当地社区物理学对信息技术的重要性以及量子信息科学领域的新发展。 在物理部,实验室旅行和对当地学校的教职员工访问的公开访问日,将促进向公众推广。

项目成果

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