Papers
Topics
Authors
Recent
2000 character limit reached

Dissipative stabilization of high-dimensional GHZ states for neutral atoms (2403.00210v1)

Published 1 Mar 2024 in quant-ph

Abstract: High-dimensional quantum entanglement characterizes the entanglement of quantum systems within a larger Hilbert space, introducing more intricate and complex correlations among the entangled particles' states. The high-dimensional Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ) state, symbolic of this type of entanglement, is of significant importance in various quantum information processing applications. This study proposes integrating a neutral atom platform with quantum reservoir engineering to generate a high-dimensional GHZ state deterministically. Leveraging the advantages of neutral atoms in a modified unconventional Rydberg pumping mechanism, combined with controlled dissipation, we achieve a three-dimensional GHZ state with a fidelity surpassing 99\% through multiple pump and dissipation cycles. This innovative approach paves the way for experimentally feasible, deterministic preparation of high-dimensional GHZ states in Rydberg atom systems, thereby advancing the capabilities of quantum information processing.

Definition Search Book Streamline Icon: https://streamlinehq.com
References (82)
  1. A. Vaziri, G. Weihs,  and A. Zeilinger, “Experimental two-photon, three-dimensional entanglement for quantum communication,” Phys. Rev. Lett. 89, 240401 (2002).
  2. M. N. O’Sullivan-Hale, I. Ali Khan, R. W. Boyd,  and J. C. Howell, “Pixel entanglement: Experimental realization of optically entangled d=3𝑑3d=3italic_d = 3 and d=6𝑑6d=6italic_d = 6 qudits,” Phys. Rev. Lett. 94, 220501 (2005).
  3. M. Huber and J. I. de Vicente, “Structure of multidimensional entanglement in multipartite systems,” Phys. Rev. Lett. 110, 030501 (2013).
  4. M. Kues, C. Reimer, P. Roztocki, L. R. Cortés, S. Sciara, B. Wetzel, Y. Zhang, A. Cino, S. T. Chu, B. E. Little, D. J. Moss, L. Caspani, J. Azaña,  and R. Morandotti, “On-chip generation of high-dimensional entangled quantum states and their coherent control,” Nature 546, 622–626 (2017).
  5. J. Wang, S. Paesani, Y. Ding, R. Santagati, P. Skrzypczyk, A. Salavrakos, J. Tura, R. Augusiak, L. Mančinska, D. Bacco, D. Bonneau, J. W. Silverstone, Q. Gong, A. Acín, K. Rottwitt, L. K. Oxenløwe, J. L. O’Brien, A. Laing,  and M. G. Thompson, “Multidimensional quantum entanglement with large-scale integrated optics,” Science 360, 285–291 (2018).
  6. D. Cozzolino, D. Bacco, B. Da Lio, K. Ingerslev, Y. Ding, K. Dalgaard, P. Kristensen, M. Galili, K. Rottwitt, S. Ramachandran,  and L. K. Oxenløwe, “Orbital angular momentum states enabling fiber-based high-dimensional quantum communication,” Phys. Rev. Appl. 11, 064058 (2019).
  7. Y.-H. Luo, H.-S. Zhong, M. Erhard, X.-L. Wang, L.-C. Peng, M. Krenn, X. Jiang, L. Li, N.-L. Liu, C.-Y. Lu, A. Zeilinger,  and J.-W. Pan, “Quantum teleportation in high dimensions,” Phys. Rev. Lett. 123, 070505 (2019).
  8. X.-M. Hu, C. Zhang, B.-H. Liu, Y. Cai, X.-J. Ye, Y. Guo, W.-B. Xing, C.-X. Huang, Y.-F. Huang, C.-F. Li,  and G.-C. Guo, “Experimental high-dimensional quantum teleportation,” Phys. Rev. Lett. 125, 230501 (2020a).
  9. M. Erhard, M. Krenn,  and A. Zeilinger, “Advances in high-dimensional quantum entanglement,” Nature Reviews Physics 2, 365–381 (2020).
  10. B. P. Lanyon, M. Barbieri, M. P. Almeida, T. Jennewein, T. C. Ralph, K. J. Resch, G. J. Pryde, J. L. O’brien, A. Gilchrist,  and A. G. White, “Simplifying quantum logic using higher-dimensional hilbert spaces,” Nature Physics 5, 134–140 (2009).
  11. M. Neeley, M. Ansmann, R. C. Bialczak, M. Hofheinz, E. Lucero, A. D. O’Connell, D. Sank, H. Wang, J. Wenner, A. N. Cleland, M. R. Geller,  and J. M. Martinis, “Emulation of a quantum spin with a superconducting phase qudit,” Science 325, 722–725 (2009).
  12. R. Kaltenbaek, J. Lavoie, B. Zeng, S. D. Bartlett,  and K. J. Resch, “Optical one-way quantum computing with a simulated valence-bond solid,” Nature Physics 6, 850–854 (2010).
  13. A. Bocharov, M. Roetteler,  and K. M. Svore, “Factoring with qutrits: Shor’s algorithm on ternary and metaplectic quantum architectures,” Phys. Rev. A 96, 012306 (2017).
  14. N. J. Cerf, M. Bourennane, A. Karlsson,  and N. Gisin, “Security of quantum key distribution using d𝑑\mathit{d}italic_d-level systems,” Phys. Rev. Lett. 88, 127902 (2002).
  15. T. Durt, D. Kaszlikowski, J.-L. Chen,  and L. C. Kwek, “Security of quantum key distributions with entangled qudits,” Phys. Rev. A 69, 032313 (2004).
  16. M. Huber and M. Pawłowski, “Weak randomness in device-independent quantum key distribution and the advantage of using high-dimensional entanglement,” Phys. Rev. A 88, 032309 (2013).
  17. H. Bechmann-Pasquinucci and W. Tittel, “Quantum cryptography using larger alphabets,” Phys. Rev. A 61, 062308 (2000).
  18. C. Wang, F.-G. Deng, Y.-S. Li, X.-S. Liu,  and G. L. Long, “Quantum secure direct communication with high-dimension quantum superdense coding,” Phys. Rev. A 71, 044305 (2005).
  19. S. P. Walborn, D. S. Lemelle, M. P. Almeida,  and P. H. S. Ribeiro, “Quantum key distribution with higher-order alphabets using spatially encoded qudits,” Phys. Rev. Lett. 96, 090501 (2006).
  20. I. Ali-Khan, C. J. Broadbent,  and J. C. Howell, “Large-alphabet quantum key distribution using energy-time entangled bipartite states,” Phys. Rev. Lett. 98, 060503 (2007).
  21. Z. Zhang, M. Tengner, T. Zhong, F. N. C. Wong,  and J. H. Shapiro, “Entanglement’s benefit survives an entanglement-breaking channel,” Phys. Rev. Lett. 111, 010501 (2013).
  22. N. T. Islam, C. C. W. Lim, C. Cahall, J. Kim,  and D. J. Gauthier, “Provably secure and high-rate quantum key distribution with time-bin qudits,” Science Advances 3, e1701491 (2017).
  23. D. Kaszlikowski, P. Gnaciński, M. Żukowski, W. Miklaszewski,  and A. Zeilinger, “Violations of local realism by two entangled N𝑁\mathit{N}italic_N-dimensional systems are stronger than for two qubits,” Phys. Rev. Lett. 85, 4418–4421 (2000).
  24. T. Durt, D. Kaszlikowski,  and M. Żukowski, “Violations of local realism with quantum systems described by n-dimensional hilbert spaces up to n=16𝑛16n=16italic_n = 16,” Phys. Rev. A 64, 024101 (2001).
  25. X.-Q. Shao, T.-Y. Zheng, C. H. Oh,  and S. Zhang, “Dissipative creation of three-dimensional entangled state in optical cavity via spontaneous emission,” Phys. Rev. A 89, 012319 (2014a).
  26. X.-Q. Shao, J.-B. You, T.-Y. Zheng, C. H. Oh,  and S. Zhang, “Stationary three-dimensional entanglement via dissipative rydberg pumping,” Phys. Rev. A 89, 052313 (2014b).
  27. M. Malik, M. Erhard, M. Huber, M. Krenn, R. Fickler,  and Z. Anton, “Multi-photon entanglement in high dimensions,” Nature Photonics 10, 248–252 (2016).
  28. M. Hebbache, “Generation of a three-qudit ghz state with diamond defect spins,” Europhysics Letters 115, 28003 (2016).
  29. D. Zhang, Y. Zhang, X. Li, D. Zhang, L. Cheng, C. Li,  and Y. Zhang, “Generation of high-dimensional energy-time-entangled photon pairs,” Phys. Rev. A 96, 053849 (2017).
  30. Y. Guo, X.-M. Hu, B.-H. Liu, Y.-F. Huang, C.-F. Li,  and G.-C. Guo, “Experimental realization of path-polarization hybrid high-dimensional pure state,” Opt. Express 26, 28918–28926 (2018).
  31. C. Reimer, S. Sciara, P. Roztocki, M. Islam, L. Romero Cortés, Y. Zhang, B. Fischer, S. Loranger, R. Kashyap, A. Cino, S. T. Chu, B. E. Little, D. J. Moss, L. Caspani, W. J. Munro, J. Azaña, M. Kues,  and R. Morandotti, “High-dimensional one-way quantum processing implemented on d-level cluster states,” Nature Physics 15, 148–153 (2019).
  32. X.-M. Hu, W.-B. Xing, C. Zhang, B.-H. Liu, M. Pivoluska, M. Huber, Y.-F. Huang, C.-F. Li,  and G.-C. Guo, “Experimental creation of multi-photon high-dimensional layered quantum states,” npj Quantum Information 6, 88 (2020b).
  33. M. Ringbauer, M. Meth, L. Postler, R. Stricker, R. Blatt, P. Schindler,  and T. Monz, “A universal qudit quantum processor with trapped ions,” Nature Physics 18, 1053–1057 (2022).
  34. P. Hrmo, B. Wilhelm, L. Gerster, M. W. van Mourik, M. Huber, R. Blatt, P. Schindler, T. Monz,  and M. Ringbauer, “Native qudit entanglement in a trapped ion quantum processor,” Nature Communications 14, 2242 (2023).
  35. M. Pivoluska, M. Huber,  and M. Malik, “Layered quantum key distribution,” Phys. Rev. A 97, 032312 (2018).
  36. X.-H. Zhang, X.-Y. Yan, Y.-Q. Wang,  and L.-H. Gong, “Tripartite layered quantum key distribution scheme with a symmetrical key structure,” Phys. Rev. A 59, 562–573 (2020).
  37. Y. Chi, J. Huang, Z. Zhang, J. Mao, Z. Zhou, X. Chen, C. Zhai, J. Bao, T. Dai, H. Yuan, M. Zhang, D. Dai, B. Tang, Y. Yang, Z. Li, Y. Ding, L. K. Oxenløwe, M. G. Thompson, J. L. O’Brien, Y. Li, Q. Gong,  and J. Wang, “A programmable qudit-based quantum processor,” Nature Communications 13, 1166 (2022).
  38. M. Krenn, A. Hochrainer, M. Lahiri,  and A. Zeilinger, “Entanglement by path identity,” Phys. Rev. Lett. 118, 080401 (2017).
  39. M. Krenn, X. Gu,  and A. Zeilinger, “Quantum experiments and graphs: Multiparty states as coherent superpositions of perfect matchings,” Phys. Rev. Lett. 119, 240403 (2017).
  40. M. Erhard, M. Malik, M. Krenn,  and Z. Anton, “Experimental greenberger–horne–zeilinger entanglement beyond qubits,” Nature Photonics 12, 759–764 (2018).
  41. X. Gu, M. Erhard, A. Zeilinger,  and M. Krenn, “Quantum experiments and graphs ii: Quantum interference, computation, and state generation,” Proceedings of the National Academy of Sciences 116, 4147–4155 (2019).
  42. S. Paesani, J. F. F. Bulmer, A. E. Jones, R. Santagati,  and A. Laing, “Scheme for universal high-dimensional quantum computation with linear optics,” Phys. Rev. Lett. 126, 230504 (2021).
  43. T. J. Bell, J. F. F. Bulmer, A. E. Jones, S. Paesani, D. P. S. McCutcheon,  and A. Laing, “Protocol for generation of high-dimensional entanglement from an array of non-interacting photon emitters,” New Journal of Physics 24, 013032 (2022).
  44. J. Bao, Z. Fu, T. Pramanik, J. Mao, Y. Chi, Y. Cao, C. Zhai, Y. Mao, T. Dai, X. Chen, J. Bao, Z. Fu, T. Pramanik, J. Mao, Y. Chi, Y. Cao, C. Zhai, Y. Mao, T. Dai, X. Chen, X. Jia, L. Zhao, Y. Zheng, B. Tang, Z. Li, J. Luo, W. Wang, Y. Yang, Y. Peng, D. Liu, D. Dai, Q. He, A. L. Muthali, L. K. Oxenløwe, C. Vigliar, S. Paesani, H. Hou, R. Santagati, J. W. Silverstone, A. Laing, M. G. Thompson, J. L. O’Brien, Y. Ding, Q. Gong,  and J. Wang, “Very-large-scale integrated quantum graph photonics,” Nature Photonics 17, 573–581 (2023).
  45. W.-B. Xing, X.-M. Hu, Y. Guo, B.-H. Liu, C.-F. Li,  and G.-C. Guo, “Preparation of multiphoton high-dimensional ghz states,” Opt. Express 31, 24887–24896 (2023).
  46. M. Krenn, M. Malik, R. Fickler, R. Lapkiewicz,  and A. Zeilinger, “Automated search for new quantum experiments,” Phys. Rev. Lett. 116, 090405 (2016).
  47. A. Cervera-Lierta, M. Krenn, A. Aspuru-Guzik,  and A. Galda, “Experimental high-dimensional greenberger-horne-zeilinger entanglement with superconducting transmon qutrits,” Phys. Rev. Appl. 17, 024062 (2022).
  48. A. W. Glaetzle, M. Dalmonte, R. Nath, C. Gross, I. Bloch,  and P. Zoller, “Designing frustrated quantum magnets with laser-dressed rydberg atoms,” Phys. Rev. Lett. 114, 173002 (2015).
  49. N. Prajapati, A. K. Robinson, S. Berweger, M. T. Simons, A. B. Artusio-Glimpse,  and C. L. Holloway, “Enhancement of electromagnetically induced transparency based Rydberg-atom electrometry through population repumping,” Applied Physics Letters 119, 214001 (2021).
  50. J. Hu, H. Li, R. Song, J. Bai, Y. Jiao, J. Zhao,  and S. Jia, “Continuously tunable radio frequency electrometry with Rydberg atoms,” Applied Physics Letters 121, 014002 (2022).
  51. C. T. Fancher, K. L. Nicolich, K. M. Backes, N. Malvania, K. Cox, D. H. Meyer, P. D. Kunz, J. C. Hill, W. Holland,  and B. L. Schmittberger Marlow, “A self-locking Rydberg atom electric field sensor,” Applied Physics Letters 122, 094001 (2023).
  52. M. Saffman, T. G. Walker,  and K. Mølmer, “Quantum information with rydberg atoms,” Rev. Mod. Phys. 82, 2313–2363 (2010).
  53. D. Jaksch, J. I. Cirac, P. Zoller, S. L. Rolston, R. Côté,  and M. D. Lukin, “Fast quantum gates for neutral atoms,” Phys. Rev. Lett. 85, 2208–2211 (2000).
  54. M. D. Lukin, M. Fleischhauer, R. Cote, L. M. Duan, D. Jaksch, J. I. Cirac,  and P. Zoller, “Dipole blockade and quantum information processing in mesoscopic atomic ensembles,” Phys. Rev. Lett. 87, 037901 (2001).
  55. D. Tong, S. M. Farooqi, J. Stanojevic, S. Krishnan, Y. P. Zhang, R. Côté, E. E. Eyler,  and P. L. Gould, “Local blockade of rydberg excitation in an ultracold gas,” Phys. Rev. Lett. 93, 063001 (2004).
  56. C. Ates, T. Pohl, T. Pattard,  and J. M. Rost, “Antiblockade in rydberg excitation of an ultracold lattice gas,” Phys. Rev. Lett. 98, 023002 (2007).
  57. E. Urban, T. A. Johnson, T. Henage, L. Isenhower, D. Yavuz, T. Walker,  and M. Saffman, “Observation of rydberg blockade between two atoms,” Nature Physics 5, 110–114 (2009).
  58. A. Gaëtan, Y. Miroshnychenko, T. Wilk, A. Chotia, M. Viteau, D. Comparat, P. Pillet, A. Browaeys,  and P. Grangier, “Observation of collective excitation of two individual atoms in the rydberg blockade regime,” Nature Physics 5, 115–118 (2009).
  59. T. Amthor, C. Giese, C. S. Hofmann,  and M. Weidemüller, “Evidence of antiblockade in an ultracold rydberg gas,” Phys. Rev. Lett. 104, 013001 (2010).
  60. G. Pupillo, A. Micheli, M. Boninsegni, I. Lesanovsky,  and P. Zoller, “Strongly correlated gases of rydberg-dressed atoms: Quantum and classical dynamics,” Phys. Rev. Lett. 104, 223002 (2010).
  61. J. E. Johnson and S. L. Rolston, “Interactions between rydberg-dressed atoms,” Phys. Rev. A 82, 033412 (2010).
  62. J. Honer, H. Weimer, T. Pfau,  and H. P. Büchler, “Collective many-body interaction in rydberg dressed atoms,” Phys. Rev. Lett. 105, 160404 (2010).
  63. A. Omran, H. Levine, A. Keesling, G. Semeghini, T. T. Wang, S. Ebadi, H. Bernien, A. S. Zibrov, H. Pichler, S. Choi, J. Cui, M. Rossignolo, P. Rembold, S. Montangero, T. Calarco, M. Endres, M. Greiner, V. Vuletić,  and M. D. Lukin, “Generation and manipulation of schrödinger cat states in rydberg atom arrays,” Science 365, 570–574 (2019).
  64. A. Browaeys and T. Lahaye, “Many-body physics with individually controlled rydberg atoms,” Nature Physics 16, 132–142 (2020).
  65. D. Bluvstein, A. Omran, H. Levine, A. Keesling, G. Semeghini, S. Ebadi, T. T. Wang, A. A. Michailidis, N. Maskara, W. W. Ho, S. Choi, M. Serbyn, M. Greiner, V. Vuletić,  and M. D. Lukin, “Controlling quantum many-body dynamics in driven rydberg atom arrays,” Science 371, 1355–1359 (2021).
  66. P. Scholl, M. Schuler, H. J. Williams, A. A. Eberharter, D. Barredo, K.-N. Schymik, V. Lienhard, L.-P. Henry, T. C. Lang, T. Lahaye, A. M. Läuchli,  and A. Browaeys, “Quantum simulation of 2d antiferromagnets with hundreds of rydberg atoms,” Nature 595, 233–238 (2021).
  67. T. M. Graham, Y. Song, J. Scott, C. Poole, L. Phuttitarn, K. Jooya, P. Eichler, X. Jiang, A. Marra, B. Grinkemeyer, M. Kwon, M. Ebert, J. Cherek, M. T. Lichtman, M. Gillette, J. Gilbert, D. Bowman, T. Ballance, C. Campbell, E. D. Dahl, O. Crawford, N. S. Blunt, B. Rogers, T. Noel,  and M. Saffman, “Multi-qubit entanglement and algorithms on a neutral-atom quantum computer,” Nature 604, 457–462 (2022).
  68. D. Bluvstein, H. Levine, G. Semeghini, T. T. Wang, S. Ebadi, M. Kalinowski, A. Keesling, N. Maskara, H. Pichler, M. Greiner, et al., “A quantum processor based on coherent transport of entangled atom arrays,” Nature 604, 451–456 (2022).
  69. K. Srakaew, P. Weckesser, S. Hollerith, D. Wei, D. Adler, I. Bloch,  and J. Zeiher, “A subwavelength atomic array switched by a single rydberg atom,” Nature Physics 19, 714–719 (2023).
  70. S. J. Evered, D. Bluvstein, M. Kalinowski, S. Ebadi, T. Manovitz, H. Zhou, S. H. Li, A. A. Geim, T. T. Wang, N. Maskara, H. Levine, G. Semeghini, M. Greiner, V. Vuletić,  and M. D. Lukin, “High-fidelity parallel entangling gates on a neutral-atom quantum computer,” Nature 622, 268–272 (2023).
  71. D. X. Li and X. Q. Shao, “Unconventional rydberg pumping and applications in quantum information processing,” Phys. Rev. A 98, 062338 (2018).
  72. C. Simonelli, M. Archimi, L. Asteria, D. Capecchi, G. Masella, E. Arimondo, D. Ciampini,  and O. Morsch, “Deexcitation spectroscopy of strongly interacting rydberg gases,” Phys. Rev. A 96, 043411 (2017).
  73. X. Q. Shao, F. Liu, X. W. Xue, W. L. Mu,  and W. Li, “High-fidelity interconversion between greenberger-horne-zeilinger and w𝑤witalic_w states through floquet-lindblad engineering in rydberg atom arrays,” Phys. Rev. Appl. 20, 014014 (2023).
  74. B. Bégoc, G. Cichelli, S. P. Singh, F. Perciavalle, D. Rossini, L. Amico,  and O. Morsch, “Controlled dissipation for rydberg atom experiments,” arXiv preprint arXiv:2310.20687  (2023).
  75. M. Saffman and T. G. Walker, “Analysis of a quantum logic device based on dipole-dipole interactions of optically trapped rydberg atoms,” Phys. Rev. A 72, 022347 (2005).
  76. S. de Léséleuc, D. Barredo, V. Lienhard, A. Browaeys,  and T. Lahaye, “Analysis of imperfections in the coherent optical excitation of single atoms to rydberg states,” Phys. Rev. A 97, 053803 (2018).
  77. W. Lee, M. Kim, H. Jo, Y. Song,  and J. Ahn, “Coherent and dissipative dynamics of entangled few-body systems of rydberg atoms,” Phys. Rev. A 99, 043404 (2019).
  78. H. Bernien, S. Schwartz, A. Keesling, H. Levine, A. Omran, H. Pichler, S. Choi, A. S. Zibrov, M. Endres, M. Greiner, V. Vuletić,  and M. D. Lukin, “Probing many-body dynamics on a 51-atom quantum simulator,” Nature 551, 579–584 (2017).
  79. L. Béguin, A. Vernier, R. Chicireanu, T. Lahaye,  and A. Browaeys, “Direct measurement of the van der waals interaction between two rydberg atoms,” Phys. Rev. Lett. 110, 263201 (2013).
  80. Z. Fu, P. Xu, Y. Sun, Y.-Y. Liu, X.-D. He, X. Li, M. Liu, R.-B. Li, J. Wang, L. Liu,  and M.-S. Zhan, “High-fidelity entanglement of neutral atoms via a rydberg-mediated single-modulated-pulse controlled-phase gate,” Phys. Rev. A 105, 042430 (2022).
  81. L. Zhao, M. D. K. Lee, M. M. Aliyu,  and H. Loh, “Floquet-tailored rydberg interactions,” Nature Communications 14, 7128 (2023).
  82. Y. Chew, T. Tomita, T. P. Mahesh, S. Sugawa, S. de Léséleuc,  and K. Ohmori, “Ultrafast energy exchange between two single rydberg atoms on a nanosecond timescale,” Nature Photonics 16, 724–729 (2022).
Citations (8)
View on Semantic Scholar

Summary

We haven't generated a summary for this paper yet.

Ai Sparkles Streamline Icon: https://streamlinehq.com Summarize Now
Slide Deck Streamline Icon: https://streamlinehq.com

Whiteboard

Dice Question Streamline Icon: https://streamlinehq.com

Open Problems

We haven't generated a list of open problems mentioned in this paper yet.

Ai Sparkles Streamline Icon: https://streamlinehq.com Generate Now
Lightbulb Streamline Icon: https://streamlinehq.com

Continue Learning

We haven't generated follow-up questions for this paper yet.

Ai Sparkles Streamline Icon: https://streamlinehq.com Generate Now
List To Do Tasks Checklist Streamline Icon: https://streamlinehq.com

Collections

Sign up for free to add this paper to one or more collections.

User Circle Single Streamline Icon: https://streamlinehq.com Sign Up
X Twitter Logo Streamline Icon: https://streamlinehq.com

Tweets

Sign up for free to view the 1 tweet with 2 likes about this paper.

User Circle Single Streamline Icon: https://streamlinehq.com Sign Up for Free