A Rydberg quantum simulator

物理 里德伯公式 量子模拟器 量子 里德堡原子 量子计算机 量子力学 电离 离子
作者
Hendrik Weimer,Markus Müller,Igor Lesanovsky,P. Zoller,Hans Peter Büchler
出处
期刊:Nature Physics [Nature Portfolio]
卷期号:6 (5): 382-388 被引量:736
标识
DOI:10.1038/nphys1614
摘要

A universal quantum simulator is a controlled quantum device that reproduces the dynamics of any other many-particle quantum system with short-range interactions. This dynamics can refer to both coherent Hamiltonian and dissipative open-system evolution. Here we propose that laser-excited Rydberg atoms in large-spacing optical or magnetic lattices provide an efficient implementation of a universal quantum simulator for spin models involving n-body interactions, including such of higher order. This would allow the simulation of Hamiltonians of exotic spin models involving n-particle constraints, such as the Kitaev toric code, colour code and lattice gauge theories with spin-liquid phases. In addition, our approach provides the ingredients for dissipative preparation of entangled states based on engineering n-particle reservoir couplings. The basic building blocks of our architecture are efficient and high-fidelity n-qubit entangling gates using auxiliary Rydberg atoms, including a possible dissipative time step through optical pumping. This enables mimicking the time evolution of the system by a sequence of fast, parallel and high-fidelity n-particle coherent and dissipative Rydberg gates. Building on recent experimental advances in controlling individual Rydberg atoms, theoretical work proposes a ‘Rydberg quantum simulator’. Such a system would be suitable for efficiently simulating other quantum systems with many-body interactions and strongly correlated ground states.
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