Scalable neutral-atom arrays and high-fidelity universal quantum gates on metastable qubits

Tao, Renhao (2025): Scalable neutral-atom arrays and high-fidelity universal quantum gates on metastable qubits. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

Jahrzehntelange Forschung in der Atom- und Molekülphysik hat Atome von reinen Untersuchungsobjekten zu leistungsstarken Werkzeugen für das Verständnis der Natur transformiert. Es wurden enorme Fortschritte darin erzielt, die quantenmechanische Natur von Atomen nutzbar zu machen, um hochkomplexe und korrelierte Materie zu untersuchen, was zu neuen Erkenntnissen in der fundamentalen Physik, Chemie und Materialwissenschaft geführt hat. Über die Beantwortung grundlegender Forschungsfragen hinaus wird das Gebiet auch durch Innovationen im Bereich des Quanteningenieurwesen vorangetrieben, die eine bislang unerreichte Kontrolle sowohl über die äußeren als auch die inneren Freiheitsgrade einzelner Atome ermöglichen. Diese Entwicklungen sind inzwischen so weit fortgeschritten, dass Forschende erstmals die Realisierung eines universellen Quantenprozessors in Betracht ziehen, der klassische Maschinen übertreffen kann. Zwei herausragende Herausforderungen bestehen weiterhin: Erstens sind Quantenoperationen, die elementaren Bausteine größerer, nutzbarer Quantenschaltkreise, von Natur aus fehleranfällig. Daraus folgt, dass ein Schaltkreis mehr Fehler als nützliche Information akkumulieren kann. Glücklicherweise bietet die Entwicklung der Quantenfehlerkorrektur (Quantum Error Correction) einen Weg, diese gewaltige Herausforderung zu umgehen. Der grundlegende Ansatz besteht darin, Quanteninformation durch Verschränkung über mehrere redundante physikalische Qubits zu delokalisieren. Solche Fehlertoleranzschemata erhöhen jedoch den Ressourcenbedarf erheblich, insbesondere in Bezug auf die Anzahl der auf der Hardware-Ebene benötigten Qubits. In metastabilen Zuständen kodierte Qubits bieten einen möglichen Ausweg, da sie Erasure Conversion unterstützen können. Dies erlaubt es, häufige Fehler zu markieren und korrigieren. Fehlerkorrektur kann dadurch effizienter durchgeführt werden, da solche Fehler an bekannten Orten mit bekannter Struktur auftreten. In dieser Arbeit demonstrieren wir erstmals universelle Quantenoperationen mit hoher Fidelität in einem Erasure-Qubit, das in zwei metastabilen Uhrenzuständen von Strontium kodiert ist. Um die Herausforderung der Skalierung zu adressieren, schlagen wir eine hybride Architektur vor, die eine unkomplizierte Skalierung auf große Systeme in einem optischen Gitter ermöglicht, während gleichzeitig die Einzelatom-Kontrollierbarkeit optischer Pinzetten erhalten bleibt. Wir erwarten, dass diese beiden zentralen Demonstrationen einen wertvollen Beitrag zum Fortschritt fehlertoleranter Quantencomputer leisten werden.

Abstract

Decades of research in AMO physics have transformed atoms from being solely subjects of study themselves into powerful tools for advancing our understanding of nature. Tremendous progress has been made in harnessing the quantum-mechanical nature of atoms to investigate highly complex and correlated matter, yielding insights into fundamental physics, chemistry, and materials science. Beyond addressing fundamental research questions, the field is also propelled by innovations in quantum engineering that enable unprecedented control over both the external and internal degrees of freedom of individual atoms. These developments are now significant enough that, for the first time, researchers have begun to contemplate the realization of a universal quantum processor capable of outperforming classical machines. Two outstanding challenges remain. First, quantum operations, which are the elementary building blocks of larger, utility-scale quantum circuits, are inherently error-prone. As a result, a circuit may accumulate more errors than useful information. Fortunately, the advent of quantum error correction offers a way to circumvent this formidable challenge. The basic approach is to delocalize quantum information across multiple redundant physical qubits via entanglement. However, such error-correction schemes significantly increase the resource overhead in terms of the number of required qubits at the hardware level. Qubits encoded in metastable states offer a potential remedy, as they support erasure conversion, which can transform common errors into heralded errors that are easier to correct. As a result, error correction can be performed more efficiently, since such errors occur at known locations and have a known structure. In this thesis, we demonstrate for the first time high-fidelity universal quantum operations in an erasure qubit encoded in two metastable clock states of strontium. To address the scaling challenge, we propose a hybrid architecture that enables straightforward scaling to large system sizes in an optical lattice, while retaining the single-site controllability of optical tweezers. We expect that these two key demonstrations will prove valuable for advancing fault-tolerant quantum computing.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: Quantum optics, universal quantum gates, quantum computing, optical lattice, optical tweezers, scalable atomic systems
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 7. Oktober 2025
• 1. Bericht­erstatter:in: Bloch, Immanuel