Programmable quantum simulation of 2D antiferromagnets with hundreds of Rydberg atoms

Quantum simulation using synthetic systems is a promising route to solve outstanding quantum many-body problems in regimes where other approaches, including numerical ones, fail. Many platforms are being developed towards this goal, in particular based on trapped ions, superconducting circuits, neutral atoms or molecules. All of which face two key challenges: (i) scaling up the ensemble size, whilst retaining high quality control over the parameters and (ii) certifying the outputs for these large systems. Here, we use programmable arrays of individual atoms trapped in optical tweezers, with interactions controlled by laser-excitation to Rydberg states to implement an iconic many-body problem, the antiferromagnetic 2D transverse field Ising model. We push this platform to an unprecedented regime with up to 196 atoms manipulated with high fidelity. We probe the antiferromagnetic order by dynamically tuning the parameters of the Hamiltonian. We illustrate the versatility of our platform by exploring various system sizes on two qualitatively different geometries, square and triangular arrays. We obtain good agreement with numerical calculations up to a computationally feasible size (around 100 particles). This work demonstrates that our platform can be readily used to address open questions in many-body physics.Comment: Main text: 6 pages, 4 figures. Supplementary information: 10 pages, 16 figure

Passage à l'échelle de matrices d'atomes dans des pinces optiques - Piégeage d'atomes individuels en environnement cryogénique

Tweezer atom arrays are a promising platform for the quantum simulation of spin models. As for most quantum simulation platforms, scaling up the number of individually controlled quantum objects is a major challenge. In this thesis, I present our work on lifting principal limitations to achieving large defect-free atom arrays with high fidelities. These limitations of the preparation fidelities include the vacuum-limited lifetime of a single atom in the tweezer, and the time needed to prepare large arrays atom-by-atom with a moveable optical tweezer. We first improved the assembly of large defect-free atom arrays by developing a new algorithmic framework. Using the new framework, we increased the number of atoms from around forty to two hundred on our room-temperature setup. We then built a novel cryogenic atom tweezer platform in which the single-atom lifetime is over 6000 seconds, an approximately 300-fold improvement over our room-temperature experiment. We describe the design and construction of the new cryogenic setup and evaluate its performance in a series of tests. Finally, we demonstrate the trapping of single atoms in tweezer arrays at cryogenic temperatures and analyze different loss mechanisms present during the lifetime measurement. These results open the way to large-scale quantum simulations on our platform.Des atomes individuels piégés dans des matrices de pinces optiques forment une des meilleures plateformes expérimentales pour la simulation quantique de modèles de spins. Comme pour la plupart des plateformes de simulation quantique, l'augmentation du nombre d'objets quantiques contrôlés individuellement est un défi majeur. Dans cette thèse, je présente notre travail sur la levée des principales limitations à la réalisation de grandes matrices d'atomes sans défaut avec des fidélités élevées. Ces limitations des fidélités de préparation incluent la durée de vie limitée par le vide d'un seul atome dans la pince, et le temps nécessaire pour préparer de grandes matrices, atome par atome, avec une pince optique mobile. Nous avons d'abord amélioré l'assemblage de grands réseaux d'atomes sans défaut en développant des nouveaux algorithmes plus efficaces. En utilisant ces derniers, nous avons augmenté le nombre d'atomes d’une quarantaine à deux cents sur notre expérience à température ambiante. Nous avons ensuite construit une nouvelle plateforme cryogénique de pinces à atomes dans laquelle la durée de vie d'un seul atome est supérieure à 6000 secondes, soit une amélioration d'environ 300 fois par rapport à notre expérience à température ambiante. Nous décrivons la conception et la construction de la nouvelle configuration cryogénique et évaluons ses performances dans une série de tests. Enfin, nous démontrons le piégeage d'atomes uniques dans des réseaux de pinces optiques à des températures cryogéniques et analysons les différents mécanismes de perte présents pendant la mesure de la durée de vie. Ces résultats ouvrent la voie à des simulations quantiques à grande échelle sur notre plateforme

Passage à l'échelle de matrices d'atomes dans des pinces optiques - Piégeage d'atomes individuels en environnement cryogénique

Tweezer atom arrays are a promising platform for the quantum simulation of spin models. As for most quantum simulation platforms, scaling up the number of individually controlled quantum objects is a major challenge. In this thesis, I present our work on lifting principal limitations to achieving large defect-free atom arrays with high fidelities. These limitations of the preparation fidelities include the vacuum-limited lifetime of a single atom in the tweezer, and the time needed to prepare large arrays atom-by-atom with a moveable optical tweezer. We first improved the assembly of large defect-free atom arrays by developing a new algorithmic framework. Using the new framework, we increased the number of atoms from around forty to two hundred on our room-temperature setup. We then built a novel cryogenic atom tweezer platform in which the single-atom lifetime is over 6000 seconds, an approximately 300-fold improvement over our room-temperature experiment. We describe the design and construction of the new cryogenic setup and evaluate its performance in a series of tests. Finally, we demonstrate the trapping of single atoms in tweezer arrays at cryogenic temperatures and analyze different loss mechanisms present during the lifetime measurement. These results open the way to large-scale quantum simulations on our platform.Des atomes individuels piégés dans des matrices de pinces optiques forment une des meilleures plateformes expérimentales pour la simulation quantique de modèles de spins. Comme pour la plupart des plateformes de simulation quantique, l'augmentation du nombre d'objets quantiques contrôlés individuellement est un défi majeur. Dans cette thèse, je présente notre travail sur la levée des principales limitations à la réalisation de grandes matrices d'atomes sans défaut avec des fidélités élevées. Ces limitations des fidélités de préparation incluent la durée de vie limitée par le vide d'un seul atome dans la pince, et le temps nécessaire pour préparer de grandes matrices, atome par atome, avec une pince optique mobile. Nous avons d'abord amélioré l'assemblage de grands réseaux d'atomes sans défaut en développant des nouveaux algorithmes plus efficaces. En utilisant ces derniers, nous avons augmenté le nombre d'atomes d’une quarantaine à deux cents sur notre expérience à température ambiante. Nous avons ensuite construit une nouvelle plateforme cryogénique de pinces à atomes dans laquelle la durée de vie d'un seul atome est supérieure à 6000 secondes, soit une amélioration d'environ 300 fois par rapport à notre expérience à température ambiante. Nous décrivons la conception et la construction de la nouvelle configuration cryogénique et évaluons ses performances dans une série de tests. Enfin, nous démontrons le piégeage d'atomes uniques dans des réseaux de pinces optiques à des températures cryogéniques et analysons les différents mécanismes de perte présents pendant la mesure de la durée de vie. Ces résultats ouvrent la voie à des simulations quantiques à grande échelle sur notre plateforme

Passage à l'échelle de matrices d'atomes dans des pinces optiques - Piégeage d'atomes individuels en environnement cryogénique

Des atomes individuels piégés dans des matrices de pinces optiques forment une des meilleures plateformes expérimentales pour la simulation quantique de modèles de spins. Comme pour la plupart des plateformes de simulation quantique, l'augmentation du nombre d'objets quantiques contrôlés individuellement est un défi majeur. Dans cette thèse, je présente notre travail sur la levée des principales limitations à la réalisation de grandes matrices d'atomes sans défaut avec des fidélités élevées. Ces limitations des fidélités de préparation incluent la durée de vie limitée par le vide d'un seul atome dans la pince, et le temps nécessaire pour préparer de grandes matrices, atome par atome, avec une pince optique mobile. Nous avons d'abord amélioré l'assemblage de grands réseaux d'atomes sans défaut en développant des nouveaux algorithmes plus efficaces. En utilisant ces derniers, nous avons augmenté le nombre d'atomes d’une quarantaine à deux cents sur notre expérience à température ambiante. Nous avons ensuite construit une nouvelle plateforme cryogénique de pinces à atomes dans laquelle la durée de vie d'un seul atome est supérieure à 6000 secondes, soit une amélioration d'environ 300 fois par rapport à notre expérience à température ambiante. Nous décrivons la conception et la construction de la nouvelle configuration cryogénique et évaluons ses performances dans une série de tests. Enfin, nous démontrons le piégeage d'atomes uniques dans des réseaux de pinces optiques à des températures cryogéniques et analysons les différents mécanismes de perte présents pendant la mesure de la durée de vie. Ces résultats ouvrent la voie à des simulations quantiques à grande échelle sur notre plateforme.Tweezer atom arrays are a promising platform for the quantum simulation of spin models. As for most quantum simulation platforms, scaling up the number of individually controlled quantum objects is a major challenge. In this thesis, I present our work on lifting principal limitations to achieving large defect-free atom arrays with high fidelities. These limitations of the preparation fidelities include the vacuum-limited lifetime of a single atom in the tweezer, and the time needed to prepare large arrays atom-by-atom with a moveable optical tweezer. We first improved the assembly of large defect-free atom arrays by developing a new algorithmic framework. Using the new framework, we increased the number of atoms from around forty to two hundred on our room-temperature setup. We then built a novel cryogenic atom tweezer platform in which the single-atom lifetime is over 6000 seconds, an approximately 300-fold improvement over our room-temperature experiment. We describe the design and construction of the new cryogenic setup and evaluate its performance in a series of tests. Finally, we demonstrate the trapping of single atoms in tweezer arrays at cryogenic temperatures and analyze different loss mechanisms present during the lifetime measurement. These results open the way to large-scale quantum simulations on our platform

Single atoms with 6000-second trapping lifetimes in optical-tweezer arrays at cryogenic temperatures

We report on the trapping of single Rb atoms in tunable arrays of optical tweezers in a cryogenic environment at approximately 4 K. We describe the design and construction of the experimental apparatus, based on a custom-made UHV-compatible closed-cycle cryostat with optical access. We demonstrate the trapping of single atoms in cryogenic arrays of optical tweezers, with lifetimes up to 6000 s, despite the fact that the vacuum system has not been baked out. These results open the way to large arrays of single atoms with extended coherence, for applications in large-scale quantum simulation of many-body systems and, more generally, in quantum science and technology.K.N.S. acknowledges funding from the Studienstiftung des deutschen Volkes. S.P. is partially supported by the Erasmus+ program of the European Union (EU). D.B. acknowledges support from the Ramón y Cajal program (Grant No. RYC2018-025348-I). This project has received funding from the Région Île-de-France through the Major Interest Domain (DIM) “Science and engineering in Ilede-France Region for Quantum Technologies” (SIRTEQ) project CARAQUES and from the EU Horizon 2020 research and innovation program, under Grant Agreement No. 817482 (Programmable Atomic Large-Scale Quantum Simulation, or PASQuanS).Peer reviewe

Enhanced atom-by-atom assembly of arbitrary tweezer arrays

We report on improvements extending the capabilities of the atom-by-atom assembler described by Barredo et al. [Science 354, 1021 (2016)] that we use to create fully-loaded target arrays of more than 100 single atoms in optical tweezers, starting from randomly loaded, half-filled initial arrays. We describe four variants of the sorting algorithm that decrease the number of moves needed for assembly and enable the assembly of arbitrary, nonregular target arrays. We demonstrate experimentally the performance of this enhanced assembler for a variety of target arrays.This project received funding from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation program under Grant Agreement No. 817482 (PASQuanS) and from the Région Île-de-France in the framework of DIM SIRTEQ (Project CARAQUES).Peer reviewe

In situ equalization of single-atom loading in large-scale optical tweezer arrays

We report on the realization of large assembled arrays of more than 300 single 87Rb atoms trapped in optical tweezers in a cryogenic environment at ∼4 K. For arrays with Na=324 atoms, the assembly process results in defect-free arrays in ∼37% of the realizations. To achieve this high assembling efficiency, we equalize the loading probability of the traps within the array using a closed-loop optimization of the power of each optical tweezer, based on the analysis of the fluorescence time traces of atoms loaded in the traps.K.-N.S. acknowledges funding from the Studienstiftung des deutschen Volkes and D.B. from MCIN/AEI/10.13039/501100011033 (RYC2018-025348-I, PID2020-119667GA-I00, and European Union NextGenerationEU PRTR-C17.I1). This project has received funding from Région Île-de-France through the DIM SIRTEQ (project CARAQUES), from the European Union’s Horizon 2020 Research and Innovation Program under Grant Agreement No. 817482 (PASQuanS), from the ERC Advanced Grant No. 101018511 (ATARAXIA), and from Bpifrance (Proqure project).Peer reviewe