利用混合原子-分子量子系统中的共振偶极相互作用
A coherent quantum interface between a neutral atom and a polar molecule
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中文总结 AI 辅助
研究利用混合原子-分子量子系统，结合中性原子和极性分子优势。通过光镊控制粒子间距，调谐态使偶极相互作用状态依赖，实现了原子与分子间的相干偶极相互作用，建立相干界面，可用于构建混合量子处理器和量子模拟器。
中文摘要 AI 辅助
混合量子系统提供了一种结合不同量子平台互补优势并减轻其局限性的途径。一种特别有前景的架构是结合中性原子和极性分子：原子通过激发到里德堡态提供快速、可控的相互作用，而分子拥有对量子存储器和量子比特有吸引力的长寿命旋转态。虽然在气相和束流实验中已观察到原子与分子间的偶极相互作用，但此前未在可扩展的光镊平台中探索，该平台能实现量子态转移和纠缠所需的可控相干相互作用。在此，我们实现了这一目标，展示了单个里德堡原子与单个极性分子间的相干偶极相互作用。利用特定物种的光镊控制粒子间距，通过调谐两个原子-分子对态使其共振，使偶极相互作用强烈依赖于状态。我们利用这些相互作用展示了分子量子比特的原子介导态读出，观察到粒子间的相干自旋交换，并使用基于阻塞的受控非门操作生成纠缠。这些结果共同建立了一个相干原子-分子界面，其中长寿命的分子量子信息可快速映射到里德堡原子的内部态进行读出或进一步的相干转移。该平台可扩展以实现利用原子介导读出和分子量子比特纠缠的混合量子处理器以及偶极系统的混合物种量子模拟器。
英文摘要
Arrays of trapped neutral atoms and polar molecules have separately emerged as powerful and complementary platforms for quantum science. Neutral atoms enable fast, programmable interactions through excitation to Rydberg states, whereas polar molecules possess long-lived rotational states that are attractive for quantum memories and qudits. Combining these platforms would create new possibilities, but requires a coherent interface between individual atoms and molecules, which so far has not been realised. Here, we establish such an interface between a single neutral atom and a single polar molecule. By tuning atomic and molecular transitions into resonance, we realise strong state-dependent dipolar interactions at micrometre separations in an optical tweezer platform with single-particle control. We exploit this interface to perform quantum operations between the two particles, demonstrating atom-mediated readout of a molecular qubit, coherent spin exchange, and entanglement using a blockade-based controlled-NOT operation. These results establish a new hybrid quantum platform at the intersection of atomic and molecular physics, in which long-lived molecular quantum information can be rapidly mapped onto an atom for readout or onward coherent transfer. The platform provides a route to hybrid quantum processors utilising atom-mediated readout and entanglement of molecular qubits, mixed-species quantum simulators of dipolar systems, and macroscopic entangled molecular states for quantum-enhanced metrology and precision sensing.
发表机构
- Durham University（杜伦大学）
- Universidad de Granada（格拉纳达大学）
- Instituto Carlos I de Física Teórica y Computacional, Universidad de Granada（格拉纳达大学卡洛斯一世理论与计算物理研究所）
机构由 AI 辅助整理，请以论文原文为准。
