Rydberg atom networks for quantum technologies [Reti atomiche Rydberg per le tecnologie quantistiche]

Rydberg atoms are poised to become strong candidates for advancing quantum technologies. Their main advantage lies in the strong dipolar interactions between multiple atoms, leading to phenomena such as the Rydberg blockade and facilitation. Alongside these notable interactions, advances in optical tweezers have established the Rydberg platform for scalable technologies due to their ability to manoeuvre individual atoms into one- and two-dimensional networks. The utility of Rydberg atoms confined in optical tweezers enables applications in the key pillars of the ongoing quantum revolution—computation, simulation, communication, and metrology. This thesis explores theoretical simulations of Rydberg excitations. Inspired by Atomtronics, which seeks to emulate electronic devices using matter waves as the current, we propose schemes to demonstrate a novel method where the current is achieved via the propagation of Rydberg excitations through circuits composed of atoms confined in optical tweezers. The work aims to lay the groundwork for new Atomtronic devices: firstly, to develop circuitry components, and secondly, a quantum sensor for electric fields. The premise to devise such devices lies in the strong dipolar interaction between neighbouring Rydberg atoms, leading to the Rydberg blockade—a shift in the Rydberg energy level prohibiting mutual excitations. To mitigate this, a laser detuning can be introduced to counteract the energy shift—known as the Rydberg facilitation mechanism—where both local addressability of the laser detuning and precise atom positioning using optical tweezers is essential. These proposed devices depend on both phenomena to manage excitations, enable non-reciprocal flow, and facilitate decision-making, thereby functioning as electronic components such as switches, a diode, and a universal logic gate set. Our simulations leverage realistic experimental parameters to demonstrate robustness to noise and faster operation compared to matter-propagation-based counterparts. In the context of quantum sensing, we propose an electric-field sensor composed of a Rydberg atom network arranged in a programmable two-dimensional optical-tweezer array. The sensor leverages the Stark-shift dependence of Rydberg levels on the electric field, which effectively modifies the dipole–dipole interactions and thus the blockade radii. Our detection method relies on site-resolved Rydberg excitation measurements to determine the absolute value of the electric field, while two-point correlations help in measuring spatially varying fields. The scheme alternates between field-insensitive reference regions and electric-field-sensitive regions, enabling in-shot normalisation, systematic error control, and a broad dynamic range determined by the atomic species and interatomic distances. All observables are detected using standard Rydberg measurement techniques on current tweezer platforms, with clear pathways towards single-shot, multi-channel electric-field sensing with adjustable precision.

Gli atomi di Rydberg sono destinati a diventare validi candidati per il progresso delle tecnologie quantistiche. Il loro principale vantaggio risiede nelle forti interazioni dipolari tra più atomi, che portano a fenomeni come la “blockade" e la facilitazione di Rydberg. Oltre a queste notevoli interazioni, i progressi nel campo delle pinzette ottiche hanno reso la piattaforma di Rydberg ideale per tecnologie scalabili, grazie alla loro capacità di manovrare singoli atomi in reti mono e bidimensionali. L'utilità degli atomi di Rydberg confinati nelle pinzette ottiche consente la loro applicazione nei pilastri chiave dell'attuale rivoluzione quantistica: calcolo, simulazione, comunicazione e metrologia. Questa tesi esplora simulazioni teoriche di eccitazioni di Rydberg. Ispirati dall'Atomtronica, che cerca di emulare dispositivi elettronici utilizzando correnti di onde di materia, proponiamo schemi per dimostrare un nuovo metodo in cui la corrente venga ottenuta tramite la propagazione di eccitazioni di Rydberg attraverso circuiti composti da atomi confinati in pinzette ottiche. Il lavoro mira a gettare le basi per nuovi dispositivi atomtronici: in primo luogo, per sviluppare componenti circuitali e, successivamente, un sensore quantistico per campi elettrici. La premessa per l'ideazione di tali dispositivi risiede nella forte interazione dipolare tra atomi di Rydberg adiacenti, determinando la “Rydberg blockade", una variazione del livello energetico di Rydberg che impedisce l'eccitazione simultanea di atomi vicini. Per mitigare questo fenomeno, è possibile introdurre un detuning laser per contrastare la variazione di energia, meccanismo noto come facilitazione di Rydberg, in cui sia il controllo locale del detuning laser, sia il posizionamento preciso degli atomi mediante pinzette ottiche sono essenziali. I dispositivi proposti dipendono da entrambi i fenomeni per gestire le eccitazioni, generarne un flusso non reciproco e facilitare il processo decisionale, funzionando così come componenti elettronici come interruttori, diodi e un set di porte logiche universali. Le nostre simulazioni sfruttano parametri sperimentali realistici per dimostrare la robustezza al rumore e un funzionamento più rapido rispetto alle controparti basate sulla propagazione di materia. Nel contesto del rilevamento quantistico, proponiamo un sensore di campo elettrico composto da una rete dia atomi di Rydberg disposti in un array bidimensionale e configurabile di pinzette ottiche. Il sensore sfrutta la dipendenza dello Stark-shift dei livelli di Rydberg dal campo elettrico, che modifica efficacemente le interazioni dipolo-dipolo e quindi i raggi di “blockade". Il nostro metodo di rilevamento si basa su misure locali delle eccitazioni di Rydberg di singoli atomi, per determinare il valore assoluto del campo elettrico, mentre correlatori a due punti vengono utilizzati per misurare campi spazialmente variabili. Lo schema alterna regioni di riferimento, insensibili al campo elettrico, a regioni sensibili, consentendo la normalizzazione in-shot, il controllo sistematico degli errori e un ampio intervallo dinamico determinato dalle specie atomiche e dalle distanze interatomiche. Tutti gli osservabili vengono rilevati utilizzando tecniche di misurazione standard nelle odierne piattaforme di Rydberg basate su pinzette ottiche, che offrono prospettive concrete per una rivelazione del campo elettrico single-shot e multicanale, con precisione controllabile.