全光通用控制捕获中性原子中的超精细量子比特
具有超过两个能级的量子系统——即所谓的qudit(多能级量子比特)——相较于基于qubit(量子比特)的架构,能提供更高的计算密度并降低电路复杂度,但实现通用且可扩展的控制仍然具有挑战性。我们提出一种全光学方案,用于在中高磁场下实现对囚禁中性原子的通用qudit控制,重点关注费米子同位素173Yb(I=5/2)。该方案利用⁹P₁₃能级中强烈的超精细相互作用,通过单一线偏振激光,在¹S₀基态能级中实现核自旋态之间的快速、选择性拉曼跃迁。对于qudit能级中的每个相邻跃迁,我们确定了一个魔幻偏振角,能够实现相干、状态选择性的控制,同时抑制非共振激发,操作频率超过100 kHz。结合相移操作,这提供了对完整单qudit空间的通用控制。我们还进一步讨论了基于里德伯阻塞机制的兼容双qudit门,以构成通用门集,并分析了与所提协议兼容的状态选择性读出方案。我们的研究结果将173Yb确定为基于qudit的高保真度全光学量子信息处理的一个有前景的平台。

