마이크로파로 만든 라이드버그 원자 트랩과 양자 게이트

초록

표면에 존재하는 비균일 전기장을 이용해 라이드버그 원자를 마이크로파로 드레싱하면, 전기 쌍극자 모멘트가 반대인 두 상태를 결합해 원하는 거리에서 정밀하게 트랩을 만들 수 있다. 다중 마이크로파 성분을 사용하면 여러 라이드버그 상태를 동일한 위치에 겹치게 할 수 있으며, 이러한 트랩된 두 상태를 하나의 양자 비트로 활용한다. 마지막으로, 평면 마이크로파 공진기와의 공통 모드를 이용해 멀리 떨어진 라이드버그 비트 사이에 SWAP 게이트를 구현하는 최적 조건을 제시한다.

상세 분석

이 논문은 초전도 원자칩 표면에 존재하는 흡착물에 의해 발생하는 비균일 직류 전기장을 라이드버그 원자 트랩의 핵심 자원으로 활용한다는 새로운 아이디어를 제시한다. 라이드버그 원자는 외부 전기장에 의해 정적 전기쌍극자 모멘트를 획득하는데, 이 모멘트의 부호에 따라 원자는 전기장 구배 방향으로 끌리거나 밀려난다. 저자들은 두 라이드버그‑스탁 고유 상태 |r⟩와 |a⟩를 선택하는데, 이들 각각은 거의 같은 크기의 전기쌍극자 모멘트를 가지지만 부호가 반대이다. 그런 다음 마이크로파를 이용해 |r⟩↔|a⟩ 전이를 거의 공명시켜 두 상태를 강하게 결합한다. 마이크로파의 주파수와 외부 바이어스 전기장 F_b를 조절하면, 전기장 크기 |F(z)|가 특정 값 ℏΔ/(d_r−d_a)와 일치하는 위치 z₀에서 두 레벨이 회전 프레임 내에서 교차한다. 마이크로파 결합에 의해 이 교차는 회피 교차(avoided crossing)로 변하고, 상위 에너지 곡선 E₊(z)는 z₀ 근처에 포텐셜 우물(잠금) 형태를 만든다. 이 우물의 깊이와 곡률은 마이크로파 라비 진동수 Ω, 전기장 구배 ζ, 그리고 전기쌍극자 차이 (d_r−d_a)에 의해 결정된다. 특히, 트랩 강도 k≈