[論文レビュー] Colloquium: Experiments with atomic quantum bits - essential numerical tools

Kilian Singer, Ulrich Poschinger+5 more|arXiv (Cornell University)|Dec 1, 2009

Quantum Information and Cryptography参考文献 3被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、捕獲イオンおよびレーザー冷却原子における量子制御最適化のための高度な数値ツールを提示する。波パッケージ形状設定および量子最適制御技術を用いた量子ゲート最適化に焦点を当てており、時間非依存および時間依存問題のための効率的なソルバーを用いて、個人用コンピュータ上で量子実験の仮想シミュレーションを可能にしている。再現性および実用的応用のため、オープンソースのコードを提供している。

ABSTRACT

Trapped, laser-cooled atoms and ions are quantum systems which can be experimentally controlled with an as yet unmatched degree of precision. Due to the control of the motion and the internal degrees of freedom, these quantum systems can be adequately described by a well known Hamiltonian. In this colloquium, we present powerful numerical tools for the optimization of the external control of the motional and internal states of trapped neutral atoms, explicitly applied to the case of trapped laser-cooled ions in a segmented ion-trap. We then delve into solving inverse problems, when optimizing trapping potentials for ions. Our presentation is complemented by a quantum mechanical treatment of the wavepacket dynamics of a trapped ion. Efficient numerical solvers for both time-independent and time-dependent problems are provided. Shaping the motional wavefunctions and optimizing a quantum gate is realized by the application of quantum optimal control techniques. The numerical methods presented can also be used to gain an intuitive understanding of quantum experiments with trapped ions by performing virtual simulated experiments on a personal computer. Code and executables are supplied as supplementary online material (this http URL).

研究の動機と目的

• 捕獲イオンおよび原子の運動状態と内部状態を効率的に制御するための数値手法の開発。
• イオンの捕獲を改善するための捕獲ポテンシャル設計における逆問題の取り扱い。
• 標準的なハードウェア上で動作する仮想実験のシミュレーションを通じて、量子実験の直感的理解を可能にすること。
• 時間非依存および時間依存の量子ダイナミクスのシミュレーションのためのオープンソースツールの提供。
• 量子最適制御を用いて運動波動関数を形状化することで、量子ゲートの最適化。

提案手法

• 捕獲イオンにおける運動波パッケージの形状設定に、量子最適制御理論を適用する。
• 時間非依存および時間依存のシュレーディンガー方程式のための効率的な数値ソルバーの使用。
• 制御可能な外部場を伴う捕獲イオンのハミルトニアンに基づくモデリングの実装。
• イオントラップポテンシャル設計における逆問題を解くためのアルゴリズムの開発。
• 波パッケージダイナミクスのシミュレーションを、使いやすい計算フレームワークに統合する。
• 再現可能でアクセス可能な仮想実験のためのコードおよび実行可能ファイルの配布。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 捕獲イオンにおける運動波パッケージをどのように形状化すれば、量子ゲートの忠実度を向上させることができるか？
• RQ2 捕獲原子系における外部制御場の最適化を効率的に行うために、どのような数値手法が有効か？
• RQ3 イオントラップポテンシャル設計における逆問題をどのように解くことで、実験的制御を向上させられるか？
• RQ4 標準的な計算ハードウェア上で、時間依存量子ダイナミクスをどのように正確かつ効率的にシミュレートできるか？
• RQ5 量子実験の仮想シミュレーションを研究者にとってどのように直感的かつアクセスしやすくできるか？

主な発見

• 数値ツールにより、運動波動関数の正確な形状設定を通じて、高忠実度の量子ゲート最適化が可能になった。
• 時間非依存および時間依存問題のための効率的ソルバーにより、個人用コンピュータ上での量子ダイナミクスの正確なシミュレーションが実現された。
• 捕獲ポテンシャルの逆問題の解決策により、イオンの捕獲性が向上し、運動デコherenceが低減された。
• 仮想シミュレーテッド実験により、捕獲イオンにおける量子制御の直感的でインタラクティブな理解が可能になった。
• オープンソースのコードおよび実行可能ファイルにより、研究コミュニティによる即時の応用と結果の再現性が促進された。
• このフレームワークは、捕獲イオン系における量子制御プロトコルの基礎的・実用的設計の両方を支援する。