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Titelaufnahme

Titel
Quantum simulation and quantum computation with Rydberg atoms / vorgelegt von Marco Mattioli
VerfasserMattioli, Marco
GutachterZoller, Peter
ErschienenInnsbruck, June 2016
Umfangxiii, 133 Blätter : Illustrationen
HochschulschriftUniversität Innsbruck, Dissertation, 2016
Anmerkung
Zusammenfassung in deutscher Sprache
Kumulative Dissertation aus vier Artikeln
Datum der AbgabeJuni 2016
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Rydbergatome / Blockade Effekt / stark-korrelierte Systeme / Cluster-Luttinger-Flüssigkeiten / Nicht-Gleichgewichtsdynamik / Gläser / Zwei-Qubit Quantengatter
Schlagwörter (EN)Rydberg Atoms / blockade effect / strongly-correlated systems / cluster Luttinger liquids / non-equilibrium dynamics / glasses / two-qubit quantum gates
URNurn:nbn:at:at-ubi:1-4954 Persistent Identifier (URN)
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Quantum simulation and quantum computation with Rydberg atoms [9.71 mb]
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Klassifikation
Zusammenfassung (Deutsch)

Diese Dissertation beschäftigt sich mit Quantensimulation und Quanteninformationsverarbeitung mithilfe von Rydberg-Atomen. Anlässlich der theoretischen und experimentellen Fortschritte im Bereich der Rydberg-Physik präsentieren wir Möglichkeiten, Gleichgewichts- und Nicht-Gleichgewichtsdynamik von stark korrelierten Systemen zu erzeugen. Des Weiteren untersuchen wir einen Mechanismus für effiziente Zwei-qubit-Operation, der auf dem Rydberg-Blockade Effekt beruht.

Der erste Teil der Dissertation beschäftigt Möglichkeiten, um mit Hilfe von Rydbergatomen das sogenannte verallgemeinerte Hubbard Modell zur simulieren. Dieses Modell beschreibt Atome, die sich auf einem Gitter bewegen und dabei mit anderen Atomen wechselwirken. Ein Ergebnis der Dissertation ist, dass in solchen Modellen eindimensionale neuartige Quanten-Flüssigkeiten, so-genannte Cluster-Luttinger-Flüssigkeiten entstehen können. Diese Quantenphase unterscheidet sich von herkömmlichen Luttinger-Flüssigkeiten im statischen Strukturfaktor und der Impulsverteilung. Dieses Verhalten der Cluster-Luttinger-Flüssigkeiten kann auf die Frustration des klassischen Grundzustands zurückgeführt werden. Obwohl die Wechselwirkung der Atome rein repulsiv ist, bilden sich selbst im klassischen Grundzustand Cluster. Das Frustrationslevel, welches stark mit der Clusterbildung zusammenhängt, nimmt mit der Teilchenanzahl aufgrund der zunehmenden Entartung exponentiell zu. Diese Eigenschaften kommen noch weit im Quantenregime zum tragen.

Der zweite Teil der Dissertation beschäftigt sich mit glasartigen Systemen, also Systemen, die exponentiell lange Zeit brauchen um in den Gleichgewichtszustand zu relaxen. Die Dynamik von Gläsern kann mit Atomen , deren Grundzustand ein hoch-angeregter Rydberg-Zustand beigemischt wird, simuliert werden. Dabei wird ein kinetisch minimal beschränktes Modell simuliert, dessen Relaxation hin zum Gleichgewichtszustand typische Merkmale glasartiger Systeme zeigt. Die Dynamik wird dabei durch erlaubte und verbotene Übergängen zwischen verschiedenen räumlichen Anordnungen von Rydberganregungen bestimmt. Numerische Simulationen unter Rücksichtnahme auf eine kontinuierliche Messungstheorie zeigen, dass die Dynamik dieser Rydberganregungen im Experiment realistisch sind.

Im dritten Teil der Dissertation wird ein neuer Mechanismus vorgestellt, um Gatter höchster Güte zwischen einzelnen, in Hohlraumresonatoren gefangenen Atomen, und einzelnen Photonen zu designen. Es wird ein Mechanismus demonstriert, der zwei (oder mehr) Atome über die Wechselwirkung mit Photonen untereinander verschränkt. Dabei wird ein atomares Ensemble als Verstärker für die Wechselwirkung zwischen qubits verwendet. Im Zuge dessen wird ein Ensemble in zwei unterschiedlich elektromagnetisch induzierten Dunkel-Zuständen initialisiert, welcher die relative Phasen zwischen qubits bestimmt. Durch numerische und analytische Berechnungen wird gezeigt, dass Gatter mit hoher Güte in Experimenten erreicht werden können.

Zusammenfassung (Englisch)

The present thesis deals with quantum simulation and quantum information processing with Rydberg atoms. Motivated by the recent theoretical and experimental progress in Rydberg physics, we propose the emulation of the equilibrium and dissipative (non-equilibrium) dynamics of strongly-correlated systems and a mechanism for efficient two-qubit universal gates employing the Rydberg blockade.

In the first part of the thesis, we propose the simulation with Rydberg-dressed ground-state atoms of an extended Hubbard model in which particles feature offsite soft-core interactions. Thereby, we show the stabilization of a novel quantum liquid in one dimension, the cluster Luttinger liquid. Signatures of this anomalous quantum state, which departs from the standard Luttinger liquid, are detected in observables like static structure factor and momentum distribution. We demonstrate that cluster Luttinger liquids stem from the underlying frustration and clusterization of the classical ground-state. Indeed, although interactions among constituents are repulsive and the mean interparticle distance is smaller than the range of the soft-core potential, the ground-state configuration, under certain assumptions, can consist of clusters of particles. The degree of frustration, deeply connected to clusterization, diverges exponentially in the thermodynamic limit due to the increasingly large number of energetically allowed cluster permutations, resulting in a highly-degenerate ground-state. By analytical and numerical calculations we show that these features persist deep into the quantum regime.

In the second part of the thesis, we simulate the constrained and slowed-down relaxation of structural glasses. In particular, we propose a one-dimensional Rydberg atom setup that emulates the so-called one-spin facilitated model. The latter is the minimal kinetically constrained model whose relaxation towards equilibrium, dictated by precise dynamical rules, has shown the kinetic arrest typical of glass forming materials. We encode dynamical rules of allowed and forbidden transitions between different spatial configurations of Rydberg excitations in the antiblockade and blockade regimes, respectively. We show the possibility to observe in situ and real time the resulting constrained dynamics of Rydberg excitations by numerically simulating the many-body evolution of the system within the continuous measurement theory framework.

In the third part of thesis, we propose a new mechanism allowing for the implementation of high-fidelity controlled-phase gates between single atoms trapped in a cavity and single photons. A controlled-phase gate between two or more atoms mediated by the scattering of photons is also demonstrated. In the scheme an atomic ensemble, which does not host the qubit information, is used as an amplifier of the coupling between qubits. We suggest to prepare the ensemble in two different electromagnetically-induced dark states, which can selectively control relative phases between qubits. Via analytical and numerical calculations we show that high gate fidelities can be achieved in state of the art experiments.