Nejira Pintul, Dissertation, Fachbereich Physik der Universität Hamburg, 2025 :
"Towards programmable neutral atom arrays with alkaline-earth-like YTTERBIUM for Computing and Simulation"
"Towards programmable neutral atom arrays with alkaline-earth-like YTTERBIUM for Computing and Simulation"
Summary
Neutrale Atome in geometrisch angeordneten optischen Mikrofallen bieten neue Möglichkeiten für die Realisierung kontrollierbarer und skalierbarer Quantensysteme. Aufgrund ihrer hervorragenden Kohärenzeigenschaften haben sich Experimente mit Erdalkali-und Erdalkali-ähnlichen Atomen wie Ytterbium (Yb) und Strontium (St) als ein vielversprechendes Forschungsfeld für Quantencomputing und simulation etabliert.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde ein neuer experimenteller Aufbau entwickelt und realisiert, der zur Erzeugung einzelner optisch-kontrollierbarer Yb-Atome in Mikrofallen dient. Das System ermöglicht Laserkühlung, die Erstellung hochaufgelöster Abbildungen mit einem Mikroskopobjektiv, die Erzeugung von Magnetfeldern sowie dynamisch rekonfigurierbare Mikrofallenpotentiale. Der Aufbau ist speziell auf die omg Qubit-Architektur zugeschnitten, welche auf dem I = ½ Kernspin von Yb beruht und erlaubt sowohl Uhrenzustands- und Rydberganregungen als auch Raman-Übergänge zwischen zwei Qubit-Zuständen.
Ein zentrales Ergebnis dieser Arbeit ist das Einfangen einzelner Yb-Atome in pro-grammierbaren zweidimensionalen Mikrofallenanordnungen, die mit einem örtlichen Lichtmodulator erzeugt werden. Mithilfe des schmalen Kühl-und Abbildungsübergangs in Yb, gelang es im Rahmen dieser Arbeit ortsaufgelöste Fluoreszenzabbildungen einzelner Yb Atome bei der magischen Wellenlänge aufzunehmen. Zur Charakter-isierung des experimentellen Aufbaus wurden die Lebensdauer, die Atomtemperatur und die Fallenfrequenzen bestimmt. Darüber hinaus wurde ein Lasersystems zur Anregung und Detektion von Yb Rydberg-Atomen implementiert.
Die Ergebnisse dieser Arbeit bilden die Grundlage für die zukünftige Durchführung von Quantencomputing- und Quantensimulationsexperimenten mit individuell-kontrollierbaren Yb Atomen mit Rydberwechselwirkungen.
Titel
Kurzfassung
Neutral atoms trapped in optical tweezer arrays open new frontiers for building controllable and scalable quantum systems. Owing to their excellent coherence properties and controllability, alkaline-carth(-like) atoms such as ytterbium (Yb) and strontium (Sr) have emerged as leading candidates for quantum computing and simulation.
This thesis reports on the design and implementation of a new experimental apparatus for generating optically-controlled Yb atom arrays. Key capabilities include laser-cooling, high resolution imaging, magnetic field control and dynamically reconfigurable optical tweezers. Tailored to the omg qubit architecture utilizing the nuclear spin-1/2 states in 17Yb, the system allows for excitation to clock and Rydberg states, as well as single-qubit control via Raman transitions.
We demonstrate trapping of individual Yb atoms in programmable two-dimensional optical tweezer arrays generated by a spatial light modulator. Using a narrow-line cooling and imaging transition, we achieve high-fidelity site-resolved fluorescence imaging of single atoms trapped at the magic wavelength. To characterize the platform, we measure the lifetime, atomic temperature in tweezers and trap frequencies. Furthermore, we present the implementation of a Rydberg laser system for excitation and detection of Yb Rydberg atoms.
The work in this thesis provides a solid foundation for future quantum computing and simulation experiments with individually controlled Yb atoms featuring Rydberg-mediated interactions.