Infleqtionとウィスコンシン大学マディソン校、四重極遷移による99.93%の量子ビット読み出し忠実度を実証

Infleqtionとウィスコンシン大学マディソン校は、中性原子量子ビットに対する非破壊測定技術を実証し、読み出し忠実度99.93%、原子保持率99.54%を達成しました。この研究はPhysical Review Lettersに掲載され、「禁止」されているセシウム（Cs）原子の電気四重極（E2）遷移を利用して、量子ビットアレイを同時に冷却しながらバックグラウンドフリーのイメージングを実行します。このアプローチは、中性原子アーキテクチャにおける測定誘発原子損失のスケーラビリティのボトルネックに対処します。

技術アーキテクチャは、6s_1/2基底状態から5d_5/2励起状態への685 nm遷移を利用しています。従来の双極子遷移（D2線）とは異なり、5d_5/2状態は、超微細分裂と放射線幅の比が著しく高くなっています。この特性により、ラマン脱励起が暗超微細基底状態に抑制された状態で、高忠実度かつ状態選択的なイメージングが可能になります。さらに、このプロトコルは測定サイクル中に3Dレーザー冷却を統合し、原子を5.3 μKの温度に維持します。これにより、加熱誘発トラップ損失を防ぎ、同じ計算回路内で繰り返し低損失測定を実行できます。

実験的な統合時間は200ミリ秒と記録されましたが、研究者たちはこれを60マイクロ秒に短縮するための理論的枠組みを提供しました。この高速化は、補助場（3491 nm）を使用して長寿命の5d_5/2状態を急冷し、6p_3/2状態への誘導放出を促進することによって達成されます。数値シミュレーションは、この急冷方法が光子散乱率を50倍に増加させ、マイクロ秒スケールで99.95%の測定忠実度に達する可能性があることを示唆しています。この時間的最適化は、量子誤り訂正（QEC）に必要な高速サイクルを実行するための前提条件です。