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双物种里德伯阵列
1. 实验平台 1 2. 中间电路读出 2 3. 里德堡激光器 3 4. 电场控制 6 5. 静电场的消除 6 6. 静电场对 F¨orster 相互作用的影响 7 7. C 6 和 C 3 系数的提取 8 8. F¨orster 物理的里德堡态选择 8 8.1. 里德堡相互作用景观 8 8.2. 数值研究 9 9. SPAM 校正 10 9.1. 将状态准备误差转化为原子损失 10 9.2. 将测量基映射到“亮，亮” 11 9.3. 读出缺陷 11 9.4. 减轻阻塞测量的 SP 误差 12 9.5. 眼图的 SPAM 校正 12 9.6. QND 测量的 SPAM 校正 12 10. 辅助测量的 QND 性 13 11. 主方程模拟 13 误差源 14 11.1. 阻塞强度 14 11.2. 原子态寿命 14 11.3. 原子损失 14 11.4. 里德堡检测 14 11.5. 失相机制 15 11.6. 双量子比特门的误差预算 15 11.7. 地面-里德堡模拟 16 12. 物种内对的集体驱动 17 13. 具有独立 Rabi 频率的同时驱动 17 14. 量子态转移 17
采用里德伯原子的量子技术
量子信息处理是一种复杂的现象，涉及量子计算和量子模拟，专注于解决各种难题，如模拟多体系统、大数分解和理解凝聚态系统，这些问题对于当今的经典计算机来说是不可能实现的。Wu 等人 (2021) 。超冷里德堡原子的控制和操纵为量子信息处理提供了一条有希望的途径 Saffman 等人 (2010) 。量子计算是通过量子门操作执行的。这种量子门操作的基本要求是开发可扩展和高保真度量子比特系统平台，该系统可以按照 DiVincenzo 标准高效地执行长算法操作 DiVincenzo (2000) 。具有高主量子数 n 的里德堡原子具有非凡的特性，例如按 n 4 缩放的长距离偶极-偶极相互作用和
里德伯 (Rydberg) 上的加权图优化演示...
组合难题的优化已被确定为量子计算硬件的早期潜在应用[1]，人们在开发诸如量子退火算法（QAA）[2-5]或基于变分的方法（如量子近似优化算法）[6,7]等协议方面投入了大量精力。尽管做出了这些努力，但能够在这一领域展示出实际量子优势的硬件仍然难以捉摸[8-11]。基于单个光镊阵列的中性原子量子计算机[12-15]为量子计算提供了一个可扩展、多功能的平台，能够生成超过 1000 个量子比特的阵列[16-19]，并执行高保真度单[20]和双量子比特[21-23]门操作，从而能够实现小规模量子算法[24]。这可以扩展到利用动态量子比特重构实现逻辑量子比特操作 [ 25 ]。除了数字操作外，中性原子阵列还可以访问可编程自旋模型
带有里德堡原子的腔 QED
两级系统（量子比特）和量子谐振子在这一物理学中发挥着重要作用。量子比特是信息载体，而振荡器充当将量子比特连接在一起的存储器或量子总线。将量子比特与振荡器耦合是腔量子电动力学 (CQED) 和电路量子电动力学 (Circuit- QED) 的领域。在微波 CQED 中，量子比特是里德堡原子，振荡器是高 Q 腔的一种模式，而在电路 QED 中，约瑟夫森结充当人造原子，扮演量子比特的角色，振荡器是 LC 射频谐振器的一种模式。
里德伯镊子阵列中的超固体性
在本文中，我们预测在原子阵列中存在超固体相，其中所有原子都被激发到它们的里德堡态。我们专注于两个具有相反宇称的里德堡态的系统，其中两个态之间的轨道角动量 l 相差一，即∆ l = 1。在这里，原子对之间的共振偶极-偶极相互作用通常比色散范德华相互作用强得多，后者从二阶偶极-偶极相互作用产生到非共振对势。我们建议使用具有不同主量子数∆ n,0 的两个里德堡态，其中两个里德堡态之间的偶极矩阵元素急剧减小。这使我们能够进入相反的区域，其中范德华相互作用占主导地位并且预计存在超固体，正如我们使用大规模 QMC 模拟所证实的那样。我们研究了各种里德堡态 | nS 1 / 2 ⟩,|在不同的主量子数 n 和 n ′ 下，87 Rb 的 nP J ⟩ 和 | nD J ⟩ 。对于里德堡原子对 | nS 1 / 2 ⟩ 和 | n ′ PJ ⟩ ，对于典型的主量子数，共振偶极-偶极相互作用随 ∆ n 下降得太快。因此，t / V 要么太大，以致我们预期不会存在超固体相，要么太小，以致很难通过实验观察到。对于状态 | nD J ⟩ 和 | n ′ PJ ⟩ ，如果 n = n ′ − 1，我们预测有趣的参数区域。对于相关的主量子数，两个里德堡态在能量上相距不到 10 GHz，从而能够使用最先进的微波技术实现有效耦合。我们进一步通过磁量子数 m J 以及磁场 B 来微调相互作用。我们选择磁场垂直于原子平面，使得原子平面中原子之间的相互作用与相互作用原子对的方向无关。此外，偶极-偶极相互作用取决于磁场 B 的大小，因为它混合了两个里德堡态的精细结构能级，这会影响它们的偶极矩阵元素。额外的限制是 t 和 V 的相对符号，它取决于 m J 。我们仅当 t / V > 0 时才预期系统支持超固体相。最后，我们收敛到状态 | ⟩ = | 60 P 3 / 2 , mj = 3 / 2 ⟩ 和 | ⟩ = | 59 D 3 / 2 ，mj = 3 / 2 ⟩ ，场幅度B = 50 G。这些状态的另一个优势是D态原子对之间的范德华相互作用相对较弱。这使得原子阵列能够有效地激发到| ⟩状态，这是所提出的状态制备的重要组成部分。在正文的图2中，已经讨论了里德堡对| ⟩和| ⟩之间的相互作用包含一个共振非对角项∝1 / R 3 ，它会引起偶极交换并混合两个项，以及对角线贡献1 / R 6 。在短距离处，我们期望额外的贡献（例如非对角交换相互作用 ∝ 1 / R 6 ）会对此进行修改。这些项对于我们特定的里德堡对来说很小，但通常不为零。
使用里德堡原子图进行量子计算
近十年来，有两项突破性技术在里德堡量子计算研究中发挥了重要作用，影响了该领域目前取得的显著进展。第一项是里德堡阻塞效应[1-3]，它使得中性原子的纠缠成为全球原子量子研究中的日常工具；第二项是原子重排方法[4-6]，该方法利用一组可移动的光镊构建无缺陷的任意原子图，如图1所示。这里我们使用术语里德堡原子图，因为构建的原子阵列的可能几何形状不仅限于物理三维空间中的晶体结构，而更适合用数学图形来表示，数学图形是超几何空间中的顶点和边的集合。在这方面，一般形式的里德堡原子系统可以称为里德堡原子图（或简称里德堡图）。
控制里德堡原子用于量子技术
2 里德伯原子 5 2.1 无场描述 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 21
使用里德堡原子进行精确的量子模拟
本论文研究了使用里德堡原子的量子模拟。量子模拟的理念是使用一个可控性良好的量子系统来模拟另一个量子系统。量子模拟旨在前瞻性地解决经典计算机无法有效处理的具有挑战性的模拟问题，例如探索高度纠缠的多体基态和动力学。我们专注于所谓的模拟量子模拟，这种模拟量子模拟直接实现要模拟的系统，并避免通用门方法的开销。可实现系统的类别取决于底层平台的特性。一般来说，量子模拟平台必须可靠且可控性良好。此外，与退相干时间相比，相互作用必须很快。满足这些要求的平台例如超导量子比特和捕获离子。另一种方法是在光镊中使用中性原子。可以通过将原子激发到里德堡态（即具有高主量子数的电子态）并利用里德堡原子之间的强偶极相互作用来使原子相互作用。过去十年的快速发展使得使用这种方法模拟任意二维和三维晶格上的各种自旋哈密顿量成为可能，即使在超出精确数值处理的范围内也是如此。本论文涵盖的研究为量子模拟的实验实现提供了理论支持，为这一进展做出了贡献。本论文的重点有两个方面。首先，我们讨论了里德堡相互作用势的计算及其对实验参数的依赖性。其次，我们利用我们对里德堡相互作用的见解，展示了如何将精确的里德堡原子量子模拟应用于研究各种量子自旋模型。具体来说，我们展示了如何研究不同的拓扑相。后者是与巴黎的 Antoine Browaeys 实验小组密切合作进行的。在一个附带项目中，我们与格拉斯哥的 Andrew Daley 小组和 Gregory Bentsen 合作提出了一项用里德堡原子实现快速扰乱自旋模型的提案。下面，我们概述了本论文的章节。
Cu2O 微腔中的非线性里德堡激子极化子
摘要 里德堡激子（凝聚态系统中里德堡原子的类似物）是具有大玻尔半径的高度激发的束缚电子空穴态。它们之间的相互作用以及激子与光的耦合可能导致强光学非线性，可用于传感和量子信息处理。在这里，我们通过里德堡阻塞现象以及在 Cu2O 填充微谐振器中形成极化的激子和光子的杂化实现了强有效光子 - 光子相互作用（类克尔光学非线性）。在脉冲共振激发下，由于光子-激子耦合随着激子密度的增加而减少，极化子共振频率被重新正化。理论分析表明，里德堡阻塞在实验观察到的极化子非线性系数缩放中起着重要作用，因为对于高达 n = 7 的主量子数，∝ n 4.4 ± 1.8。首次在极化子系统中研究如此高的主量子数对于实现高里德堡光学非线性至关重要，这为量子光学应用和固态系统中强关联光子（极化子）态的基础研究铺平了道路。
用于……的腔耦合里德堡原子阵列平台
中性原子系统长期以来一直是复杂量子物理的试验台。最近，量子研究的焦点已从基础科学转向量子计算应用。尽管几种不同的硬件平台已在此方向的能力方面取得了长足进步，但每种平台在扩展系统规模方面都有各自的障碍：无论是物理上的量子比特数，还是时间上的退相干前的代码周期。具体而言，在中性原子系统中，缺乏以比原子退相干快得多的时间尺度无损读取原子状态的能力。通过将中性原子里德堡阵列的几何可重构性和设计的强相互作用与高精细度腔的强光耦合相结合，我们可以构建一种超越其他硬件系统许多限制的新量子架构。在本论文中，我们阐述了将里德堡原子阵列耦合到腔体的情况，讨论了原子物理与量子计算之间的联系，以及使光腔系统比其他当前量子计算机实现更具优势的基本物理原理。然后，我们描述了这种系统的设计、测试和实现。我们的系统同时适应里德堡激发、可重构光镊阵列、选择性原子态寻址和与光腔的强耦合。我们详细讨论了在超高真空中安装这种系统的风险和技术考虑，包括发现一种新的高反射率镜材料失效机制。最后，我们概述了未来的具体步骤，以展示我们系统中的原理验证表面码纠错，为使用中性原子进行容错量子计算铺平道路。