[論文レビュー] Experimental demonstration of quantum state tomography applied to dopant ions in a solid

Jevon J. Longdell, Matthew J. Sellars|arXiv (Cornell University)|Aug 29, 2002

Quantum optics and atomic interactions被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、光学パルスを用いて制御・測定する、Y₂SiO₅結晶中のEu³⁺ドーピングイオンの集合体を用いた量子状態トモグラフィーを実証した。状態準備および測定の精度が90%以上であり、双極子-双極子相互作用の観測がなされたことから、この固体系におけるマルチキュービット量子計算の基盤が確立された。

ABSTRACT

We report on the implementation of quantum state tomography for an ensemble of Eu$^{3+}$ dopant ions in a Y$_2$SiO$_5$ crystal. The tomography was applied to a qubit based on one of the ion's optical transitions. The qubit was manipulated using optical pulses and measurements were made by observing the optical free induction in a phase sensitive manner. Fidelities of $>90$% for the combined preparation and measurement process were achieved. Interactions between the ions due to the change in the ions' permanent electric dipole moment when excited optically were also measured. In light of these results, the ability to do multi-qubit quantum computation using this system is discussed.

研究の動機と目的

• Y₂SiO₅結晶中のEu³⁺ドーピングイオンを用いた固体状態キュービットにおける量子状態トモグラフィーの実装。
• 位相に依存する光学検出を用いた、キュービット状態の高精度な準備および測定の達成。
• 光学励起によって誘起されるイオン間の双極子-双極子相互作用の特徴付け。
• この希土類元素ドーピング結晶系を用いたマルチキュービット量子計算の可能性の評価。

提案手法

• 光学パルスを用いて、キュービット状態をコherentに操作することで、Eu³⁺イオンの集合体に対する量子状態トモグラフィーを実施した。
• 測定は、光学自由誘導減衰信号の位相に依存する検出によって行われた。
• キュービットは、Eu³⁺イオンの特定の光学遷移に符号化されており、調整されたレーザーパルスによるコherent制御が可能であった。
• 光学励起に伴う双極子モーメントの変化を観測することで、イオン間の相互作用がプローブされた。
• 標準的な量子プロセストモグラフィーのプロトコルを用いて、状態準備と測定プロセスの整合性が定量的に評価された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 希土類元素ドーピングイオンの固体状態集合体に対して、量子状態トモグラフィーを効果的に実装できるか。
• RQ2 この系における状態準備および測定の精度はどの程度か。
• RQ3 光学励起されたイオン間の双極子-双極子相互作用は、キュービットのコherenecyおよび制御にどのように影響するか。
• RQ4 この系が、スケーラブルなマルチキュービット量子計算をどの程度サポートできるか。

主な発見

• 状態準備と測定の統合プロセスの精度が90%を超えた。
• 光学自由誘導減衰信号の位相に依存する検出が、キュービットの高精度な状態読み出しを可能にした。
• 光学励起に伴う恒久的電気双極子モーメントの変化により、Eu³⁺イオン間の双極子-双極子相互作用が実験的に観測された。
• 測定された相互作用は、この系におけるキュービット間の制御可能な相互作用の可能性を示唆している。
• これらの結果は、Y₂SiO₅中の光学的に制御可能なEu³⁺イオンを用いたマルチキュービット量子計算の可能性を支持する。