[論文レビュー] Exploring adiabatic quantum dynamics of the Dicke model in a trapped ion quantum simulator

Arghavan Safavi-Naini, Robert J. Lewis-Swan+8 more|arXiv (Cornell University)|Nov 20, 2017

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、レーザー駆動による重心モードフォノンを通じてスピン自由度と運動自由度が結合する、~70個のイッテルビウムイオンを用いたトラップイオン量子シミュレータにおいて、ディーケー模型のスーパーラディアンス状態を断熱的に準備することを示している。現在の実験的制限にもかかわらず、デcohエレント制御とパラメータチューニングのわずかな改善により、N ~ 20イオンの範囲で、目的のスピンボソンケイツ状態とのfidelityが最大75%に達することが理論的分析で示された。

ABSTRACT

We use a self-assembled two-dimensional Coulomb crystal of $\sim 70$ ions in the presence of an external transverse field to engineer a quantum simulator of the Dicke Hamiltonian. This Hamiltonian has spin and bosonic degrees of freedom which are encoded by two hyperfine states in each ion and the center of mass motional mode of the crystal, respectively. The Dicke model features a quantum critical point separating two distinct phases: the superradiant (ferromagnetic) and normal (paramagnetic) phases. We experimentally explore protocols that aim to adiabatically prepare the superradiant ground state, a spin-boson cat state with macroscopic phonon occupation, which is well-suited for enhanced metrology and quantum information processing. We start in the normal phase, with all spins aligned along a large transverse field and ramp down the field across the critical point following various protocols. We measure the spin observables, both experimentally and in our simulations to characterize the state of the system at the end of the ramp. We find that under current operating conditions an optimally designed ramp is not sufficient to achieve significant fidelity with the superradiant ground state. However, our theoretical investigation shows that slight modifications of experimental parameters, together with modest reductions in decoherence rates and thermal noise can increase the cat-state fidelity to $\sim 75\%$ for $N \sim 20$ spins. Our results open a path for the use of large ensembles of trapped ions as powerful quantum sensors and quantum computers.

研究の動機と目的

• トラップイオン量子シミュレータを用いたディーケー模型におけるスーパーラディアンス基底状態の断熱的状態準備を探索すること。
• 有効スピンモデルとは異なり、完全なスピンボソンダイナミクスが断熱的遷移に与える影響を明らかにすること。
• メトロロジカルに有用なエンタングルド状態を準備するための、さまざまな横磁場ラムピングプロトコルの性能をベンチマークすること。
• 目的のケイツ状態とのfidelityを著しく向上させる可能性を秘めた実験的パラメータの修正を同定すること。
• 非断熱的ラムピングでさえ、量子メトロロジーに有用な高い量子フィッシャー情報量を持つ状態を生成できることを示すこと。

提案手法

• ~70個の9Be+イオンで構成される2次元のクーロン結晶をペンニングトラップで作製し、スピン自由度をハイパーフィン構造に、運動自由度を重心モードにエンコードする。
• レーザー駆動によるスピン依存力がフォノンを介した長距離スピンスピン相互作用を誘導し、調節可能な横磁場とスピンフォノン結合を持つディーケーハミルトニアンを実現する。
• 初期状態として大きな横磁場を有するノーマル相に設定し、量子臨界点を断熱的に通過させることでスーパーラディアンス相に到達する。
• スピン観測量（例：⟨Sz⟩およびP(Mz)）の実験的測定結果を、完全なスピンフォノンモデルの数値シミュレーションと比較し、状態fidelityを評価する。
• 理論的分析により、重心モードからのデチューニングの影響を検討し、ディーケー模型の準位構造がリプキン＝メシュコフ＝ゴールドスタイン模型に類似するパラメータ領域を同定する。
• 干渉計的プロトコルへの応用を想定し、全スピンボソン状態からスピンのみのケイツ状態を分離するためのデエンタングルメントプロトコルを提案する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 完全なスピンボソンダイナミクスを有するトラップイオンシミュレータにおいて、ディーケー模型のスーパーラディアンス基底状態の断熱的状態準備が可能かどうか。
• RQ2 フォノン自由度が、この系における断熱的状態準備のfidelityを制限する要因として果たす役割は何か。
• RQ3 異なる横磁場ラムピングプロトコルは、最終状態のエンタングルメントおよびメトロロジカルな有用性にどのように影響を与えるか。
• RQ4 高いfidelityで目的のスピンボソンケイツ状態を準備するためには、どのようなパラメータの修正や実験的改善が必要か。
• RQ5 fidelityが基底状態と低くても、非断熱的ラムピングで高い量子フィッシャー情報量を持つ状態を生成できるか。

主な発見

• 現在の実験的条件下では、ケイツ状態形成に一致する二峰性スピン分布の観測に成功したものの、スーパーラディアンス基底状態の断熱的準備のfidelityは低値に留まっている。
• 理論的モデリングにより、デコherenceと熱雑音のわずかな低減、およびパラメータチューニングのわずかな改善により、N ~ 20イオンの範囲で真のスーパーラディアンス基底状態とのfidelityが50–75%に達することが示された。
• LAAラムププロトコルは、~1 msで1粒子あたりの量子フィッシャー情報量（FQ > 1）を生成するが、これはイジングハミルトニアンが~3 msを要するのと比較して優れた性能を示し、高速なエンタングルメント生成に適していることを示している。
• 目的状態とのfidelityが低くても、生成された状態は高い量子フィッシャー情報量を示しており、メトロロジカルに有用なエンタングルメントを有していることが確認された。
• 理論的分析により、重心モードからのデチューニングがエネルギー準位構造をリプキン＝メシュコフ＝ゴールドスタイン模型に類似させることができ、断熱性の向上に寄与することが確認された。
• スピンのみのケイツ状態を全スピンボソン状態から分離するためのデエンタングルメント手順が提案され、干渉計的量子センシングへの応用が可能になる。