FastOrbit - Controllo orbitale veloce di qubit nucleari in array di atomi di itterbio

Gli ultimi decenni hanno visto lo sviluppo di una fervente comunità scientifica attorno ai temi delle tecnologie quantistiche. Tra gli obiettivi fondamentali vi è la concezione di nuovi sistemi che possano sfruttare in maniera ottimale la coerenza quantistica per compiere operazioni impensabili attraverso i metodi della fisica classica. In questo progetto FARE, proponiamo la realizzazione di una nuova piattaforma per l’elaborazione dell’informazione quantistica basata sul controllo di singoli atomi di itterbio-171. Lo spin nucleare di questa specie atomica, grazie al suo disaccoppiamento pressoché completo dai gradi di libertà elettronici, fornisce un qubit intrinsecamente robusto alle perturbazioni esterne, che può però essere manipolato fedelmente attraverso le tecniche di spettroscopia ottica ultra-precisa utilizzate negli orologi atomici. Il nuovo setup sperimentale sfrutterà le più avanzate tecnologie ottiche per il raffreddamento e l’intrappolamento di array atomici: un registro quantistico scalabile nel quale verranno implementate operazioni logiche rapide ed efficienti tra qubit. In questo modo, verranno elaborati protocolli ottimali per la creazione di stati entangled a molte particelle, la cui qualità e robustezza al rumore verranno caratterizzate tramite misure quantistiche randomizzate. L’alto grado di controllo sviluppato verrà anche utilizzato per connettere la dinamica di decoerenza quantistica di singoli qubit alle proprietà termodinamiche dell’ambiente circostante. Il sistema che il progetto FastOrbit propone di realizzare rappresenterà un nuovo promettente hardware per le tecnologie quantistiche, con ampie possibilità di ulteriore sviluppo.

The past decades have witnessed the development of a vivid scientific community around the topics of quantum technologies. One essential direction of research concerns the quest for robust quantum systems, which can preserve and optimally harness quantum coherence to perform operations unthinkable through the methods of classical physics. In particular, these systems will form the basis for new quantum sensors, quantum simulators and future quantum computers, expected to speed up certain computational tasks beyond what is achievable with even the most powerful classical hardware. However, today most of the relevant practical applications of quantum technologies are forestalled by the decoherence of quantum systems. To overcome this issue, it is key to learn how to synthetize quantum states and probe their coherence properties, especially in highly entangled, many-particle systems. In this FARE project, we propose the realization of a new quantum information platform where the dynamics of quantum coherence in many-particle states can be studied and engineered. This will be based on the control of single atoms of ytterbium-171, stored in the stable potentials created by optical lattices and arranged in large reconfigurable arrays. The nuclear spin of fermionic ytterbium isotopes provides a qubit which is intrinsically robust to external perturbations, due to its almost complete decoupling from the electronic degrees of freedom, but can nonetheless be effectively manipulated through ultra-precise optical spectroscopy techniques already developed in optical lattice clocks. The new experimental setup will exploit the most advanced optical methods for cooling and trapping single-atom arrays: a scalable quantum register, in which fast and efficient logical operations between qubits will be implemented. In this way, we will develop optimal protocols for the creation of many-particle entangled states, whose quality and robustness to noise will be characterized through randomized projective measurements and interferometric methods. The high degree of control will then be used to investigate the deep connection between the decoherence dynamics of individual qubits and the non-equilibrium thermodynamics arising from coupling with the surrounding environment. The platform realized within the FastOrbit project will definitely represent a promising new hardware for quantum technologies, with ample opportunities for further development. It will also increase the competitiveness of Italian research in a highly strategic sector.