Fast multi-photon single-qubit operations in arrays of strontium atoms

Ammenwerth, Maximilian (2026): Fast multi-photon single-qubit operations in arrays of strontium atoms. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

Neutral atoms are a ubiquitous platform for various quantum sciences with applications in quantum computing, simulation, and metrology across many different atomic species. In these systems, control over the electronic states is given by suitable laser pulses typically applied at the single-particle level. Here, we present fast coherent control over the meta-stable clock states in bosonic strontium-88 using two- and three-photon couplings. Compared to the direct single-photon drive on these transitions, the realistically achievable Rabi frequencies are substantially higher at significantly relaxed magnetic field strength. By applying a magnetic quantization axis under a judiciously chosen angle with respect to the linear trap polarization, we realize an optical qutrit comprising the ground state 1S0 as well as both clock states 3P0 and 3P2, and characterize in detail the coherence of the system. Remarkably, the observed coherence time on the fine-structure qubit (given by the 3P0 and 3P2,mj=0 states) of 715(30) ms demonstrates, for the first time, that state-of-the-art coherence times are compatible with tweezer-based polarizability-engineered trapping potentials, which is applicable across a broad range of wavelengths and atomic species. We identify laser phase noise as the main limitation of the current operation fidelity and discuss methods for characterizing, modelling, and compensating optical phase noise. The multi-photon couplings not only allow for substantially faster Rabi frequencies under realistic experimental conditions, but additionally offer controlled dissipation via the 3P1 state, which we use to demonstrate a measurement-free qubit reset. Combined with three-photon couplings to the 3P2 clock state, we realize resolved sideband cooling in an optical lattice potential and benchmark the fine-structure qubit at various infrared wavelengths. In addition, we introduce a hybrid lattice-tweezer setup and demonstrate the preparation of programmable atom configurations in a single plane of the two-dimensional optical lattice potential. Using single-site addressing with optical tweezers, we present a protocol for the iterative assembly of large-scale atom arrays. Furthermore, we use the lattice-tweezer combination to continuously operate a configurable atom array, which provides means to overcome scaling limitations by repeatedly adding atoms to the system and enables entirely novel approaches to operating neutral-atom arrays. To enable reliable image processing with a fast reconstruction of the lattice occupation, we introduce a novel algorithm based on a convolutional neural network, which provides a rapid and noise-resilient reconstruction compatible with arbitrary lattice geometries. Moreover, we benchmark a new phase-only spatial light modulator based on a micromirror array, which paves the way towards holographic beam shaping at fast update rates compatible with a broad range of wavelengths, including the ultraviolet spectral range.

Abstract

Neutrale Atome bilden eine vielseitige Plattform für Quantensimulations-, Quantencomputing- und Metrologie-Anwendungen und sind für verschiedene atomare Spezies etabliert. Die elektronischen Zustände werden hierbei mit Hilfe von Laserpulsen kontrolliert, welche oftmals auf dem Ein-Teilchen-Level angewandt werden. Diese Arbeit umfasst die schnelle Kontrolle von langlebigen Uhrenzuständen in Strontium basierend auf kohärenten Drei-Photon-Übergängen. Verglichen mit der direkten Ein-Photon-Anregung wird hierbei eine deutlich schnellere Rabifrequenz bei deutlich schwächeren Magnetfeldern erreicht. Durch Anlegen eines Magnetfeldes unter einem bestimmten Winkel in Bezug zur linearen Polarisation der optischen Pinzetten wird ein optisches Qutrit realisiert, welches neben dem Grundzustand 1S0 beide Uhrenzustände 3P0 und 3P2 umfasst. Eine detaillierte Charakterisierung der Kohärenz des Feinstrukturqubits (bestehend aus den Zuständen 3P0 und 3P2,mj=0) zeigt eine bemerkenswerte Kohärenzzeit von 715(30) ms. Diese Demonstration zeigt, dass kompetitive Kohärenzzeiten auch in Potentialen auf Basis von optischen Pinzetten erreicht werden können, trotz der Existenz von Polarisationsgradienten und der Polarisationsabhängigkeit des Potentials. Die Güte der Zwei- und Drei-Photon-Kopplungen ist aktuell durch optisches Phasenrauschen limitiert und zutreffende Methoden zur Charakterisierung, Modellierung und Unterdrückung von optischem Phasenrauschen werden im Details diskutiert. Einzeln adressierbare Atome in optischen Potentialen haben in den letzten Jahren eine umfassende und schnelle Entwicklung hinsichtlich der Systemgrößen, Gattergüten und kohärenten “Mid-Circuit” Operationen erlebt. Eine zentrale Herausforderung im Kontext von Neutralatom-Quantencomputern besteht in der weiteren Skalierung bei gleichzeitiger Erhaltung der Adressierbarkeit. Die Kombination von skalierbaren optischen Gitterpotentialen mit der Einzelplatzkontrolle durch bewegliche optische Pinzetten eröffnet hier neue Möglichkeiten welche in dieser Arbeit beschrieben und demonstriert werden. Wir zeigen, dass einzelne Atome in einer einzelnen Ebene eines zwei-dimensionalen optischen Gitters, geladen direkt aus einer Magneto-optischen Falle, mit Hilfe von optischen Pinzetten in beliebige Konfigurationen sortiert werden können. Des Weiteren präsentieren wir ein Protokoll für das iterative Sortieren von Atomarrays und demonstrieren den kontinuierlichen Dauerbetrieb in dem Gitterpotential. Diese Techniken umgehen Skalierungslimitierungen indem Atome über mehrere Ladezyklen erhalten bleiben und eröffnen völlig neue Möglichkeiten zum Betrieb von Atomarrays. Um eine schnelle Bildverarbeitung zu gewährleisten stellen wir einen Machine-Learning-Algorithmus basierend auf einem Faltungsnetzwerk vor und demonstrieren die schnelle Rekonstruktion des gesamten optischen Gitters und eine reduzierte Abhängigkeit auf Rauschen der Eingangsbilder. Abschließend stellen wir einen neuartigen Phasenmodulator basierend auf einer Senkspiegelmatrix vor, welcher neue Möglichkeiten zur holografischen Strahlformung mit schnellen Updateraten eröffnet und mit Wellenlängen bis in den ultravioletten Bereich kompatibel ist.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: three-photon coupling, qutrit, sorted atom arrays, optical tweezers, optical lattice
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 9. März 2026
• 1. Bericht­erstatter:in: Bloch, Immanuel