This work reveals strong interspecies F"orster resonances between Rydberg-excited atomic rubidium and potassium with ultralong-range zero-field interactions. The paper shows how this may exploited in an optical transistor based on two spatially separated atomic ensembles
We present an analysis of interspecies interactions between Rydberg d -states of rubidium and cesium. We identify the Förster resonance channels offering the strongest interspecies couplings, demonstrating the viability for performing high-fidelity two- and multi-qubit C k Z gates up to k = 4 , including accounting for blockade errors evaluated via numerical diagonalization of the pair potentials. Our results show d -state orbitals offer enhanced suppression of intraspecies couplings compared to s -states, making them well suited for use in large-scale neutral atom quantum processors. Published by the American Physical Society 2024
Three-body Förster resonances controlled by a dc electric field are of interest for the implementation of three-qubit quantum gates with single atoms captured in optical traps and laser-excited into strongly interacting Rydberg states. In Ref. [P. Cheinet et al., Quantum Electronics 50(3), 213 (2020)], we proposed and analyzed a new type of three-body Förster resonance 3×nP3/2→nS1/2+(n+1)S1/2+nP1/2 that can be realized with Rb Rydberg atoms for an arbitrary principal quantum number n. Its peculiarity is that the third atom goes into a state with a total angular moment J=1/2, which has no Stark structure, so two-body Förster resonances are completely absent. In the present work, an extended theoretical study of this three-body Förster resonance is performed for various spatial configurations of three interacting Rb Rydberg atoms and conditions for their experimental implementation are determined. It was found that one of the resonances has a weak dependence of the resonant electric field on the distance between atoms and is therefore most suitable for performing experiments to observe coherent oscillations of populations of collective three-body states and implement three-qubit quantum gates based on them.
Three-body F\"orster resonances controlled by a dc electric field are of interest for the implementation of three-qubit quantum gates with single atoms in optical traps using their laser excitation into strongly interacting Rydberg states. In our recent theoretical paper [Zh. Eksp. Teor. Fiz. 168, 14 (2025)], it was found that the proposed earlier three-body F\"orster resonance $3\ifmmode\times\else\texttimes\fi{}n{P}_{3/2}\ensuremath{\rightarrow}n{S}_{1/2}+(n+1){S}_{1/2}+n{P}_{1/2}$ in Rb Rydberg atoms presents a splitting, with one of the split components having weaker dependence of the resonant electric field (and the corresponding dynamic shift) on the distance R between the atoms. Here we study this effect in more detail, since this resonance appears as the most suitable for performing experiments on observing coherent oscillations of populations of collective three-body states and implementing three-qubit quantum gates based on them. For a linear spatial configuration of three interacting Rydberg atoms, the physical mechanism of this phenomenon is revealed and analytical formulas are obtained that describe the behavior of split structure of the F\"orster resonance depending on R. It is found that the splitting is a measure of the energy of the resonant dipole-dipole exchange interaction with an excitation hopping between neighboring Rydberg states S and P.
Résonances de Förster à quelques corps dans les atomes de Rydberg pour la mise en oeuvre de l'informatique quantique L'application des résonances de Förster à plusieurs corps est étudiée pour réaliser des circuits de portes quantiques multi-qbits. Deux nouveaux types de transitions borroméennes à trois atomes utilisant un atome relais ont été proposées et étudiées numériquement. En particulier, une résonance de Förster à trois atomes non isolée et contrôlée par effet Stark entre des états S et P de niveaux élevés n = 80, 81, 82 avec des atomes de Rb isolés dans des pièges optiques a été modélisée. Une résonance de Förster isolée à trois atomes a également été démontrée pour les états n = 70, 71 des atomes Rb. Les résonances ont été étudiées dans une configuration spatiale fixe, ce qui nous a permis de démontrer l'évolution cohérente de la population et de la phase des états collectifs impliqués. Des schémas de portes de Toffoli à trois qubits ont été développés et modélisés numériquement sur la base des résonances démontrées dans des ensembles à trois atomes. En outre, un schéma généralisé de porte de phase doublement contrôlée CCPHASE a été développé sur la base de la résonance de Förster à trois corps induite par radiofréquence. De plus, un schéma de porte quantique similaire a été proposé sur la base de la résonance de Förster induite par radiofréquence à deux atomes avec un déplacement contrôlé par interaction avec le troisième. Les performances rapides et la grande fidélité des schémas proposés, ainsi que leur robustesse potentielle aux erreurs, nous permettent d'espérer le succès d'une réalisation expérimentale prochainement.