Trapped neutral atom system has become an emerging platform for the implementation of quantum information processing with the recently developed techniques of atom-by-atom assembly and the Rydberg excitation. However, environmental noise and parameter errors currently prevent this system from performing quantum operations of large numbers and high fidelity to be required for obtaining the quantum advantages. In this thesis, we consider the conjunction of trapped neutral atom qubit and ultrafast coherent control. We show robust and selective excitations of the atomic system can be implemented by a shaped ultrafast pulse, and how to implement very fast quantum gate for the neutral atom qubit with ultrafast pulses. Then, utilizing the pulse shaping for the qubit controls, we propose and experimentally demonstrate the ultrafast Berry-phase gate which uses only geometric phase to control atomic clock-state qubit with both the rapidity and robustness against parameter errors. Finally, how these ideas can be applied to the Rydberg excitations in order to implement fast and robust multi-qubit controls is suggested.
단원자 포획에 기반한 중성 원자 배열은 최근에 발전한 재배열 가능한 광집게 기술과 리드버그 원자 전이에 의해 양자 정보 처리를 위한 플랫폼으로서 새롭게 떠오르고 있다. 그러나 환경에 의한 잡음과 조작 변수들의 오차에 의해서 양자 이득을 얻을 수 있을 정도로 많은 수와 높은 신뢰도를 갖는 양자 게이트 조작을 하는 것은 쉽지 않다. 이 학위논문에서는 이를 해결하기 위해서 중성 원자 큐빗과 초고속 펄스를 이용한 결맞음 조작의 결합을 고려한다. 큰 견고성과 선택성을 갖는 전이를 어떻게 재단된 펄스 레이저를 이용하여 구현할 수 있는지 알아보고, 펄스 레이저를 통해서 어떻게 중성 원자 큐빗을 조작할 수 있는지 알아볼 것이며, 펄스 재단과 중성 원자 큐빗 조작을 결합하여 견고한 초고속 베리-위상 게이트를 구현하는 방법을 제안하고 실험적으로 구현한다. 그리고 이러한 아이디어들이 어떻게 리드버그 전이에 활용되어 마찬가지로 빠르고 견고한 다큐빗 조작을 할 수 있을지 제안한다.