[論文レビュー] Many-Body Physics with Trapped Ions

Christian Schneider, Diego Porras+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 14, 2011

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 155被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、レーザー場を介したスピン状態、イオンの運動、相互作用の精密制御を活用して、スケーラブルなプラットフォームとして捕獲イオンを用いた量子多体系のシミュレーションについてレビューしている。エンジニアリングされたスピン-スピン相互作用と幾何位相ゲートにより、スピンハミルトニアンのユニバーサルな量子シミュレーションが可能であり、主な結果として、高精度な操作とスケーラブルなアーキテクチャが、サーフェス電極型および光学格子において実現されている。

ABSTRACT

Direct experimental access to some of the most intriguing quantum phenomena is not granted due to the lack of precise control of the relevant parameters in their naturally intricate environment. Their simulation on conventional computers is impossible, since quantum behaviour arising with superposition states or entanglement is not efficiently translatable into the classical language. However, one could gain deeper insight into complex quantum dynamics by experimentally simulating the quantum behaviour of interest in another quantum system, where the relevant parameters and interactions can be controlled and robust effects detected sufficiently well. We report on the progress in experimentally simulating quantum many-body physics with trapped ions.

研究の動機と目的

• 複雑な多体量子系のアナログおよびデジタル量子シミュレーションのための捕獲イオンを実用的プラットフォームとして確立すること。
• 古典的コンピュータでは扱いきれない大規模量子系のシミュレーションを、量子シミュレータを活用して解決すること。
• イオントラップにおけるスピン状態および運動自由度の初期化、制御、測定のための実験的手法を開発すること。
• 高精度な単一および二量子ビット操作、特に幾何位相ゲートを含む、ユニバーサルな量子シミュレーションを可能にすること。
• 制御された相互作用とコherencesを有するイオントラップアレイおよび光学格子を用いて、量子シミュレーションをより大きな系へスケーリングすること。

提案手法

• レーザー駆動のラビ振動とサイドバンド遷移を用いて、量子ビット状態をコherentに操作し、運動モードと結合する。
• 時間に依存するハミルトニアンを回転フレームに写像するための正準変換を採用し、運動自由度を介した有効なスピン-スピン相互作用を可能にする。
• 回転フレームにおける条件付きダイナミクスを用いて、有効な $oldsymbol{ ilde{ au}}_z oldsymbol{ ilde{ au}}_z$ 相互作用をエンジニアリングし、長距離スピン-スピン結合を実現する。
• 非アーベルホロノミーを用いた幾何位相ゲートを適用し、制御誤差に対して感受性が低い二量子ビットエンタングル操作を実現する。
• RFサーフェス電極トラップを設計して、トンネル効率、相互作用強度、対称性が調整可能な1次元および2次元アレイを形成し、スケーラブルな量子シミュレーションを可能にする。
• 光学ダイポールトラップを活用して、周期的ポテンシャルに単一イオンをロードし、ハイブリッドイオン-原子系と長寿命の量子状態を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 捕獲イオンを用いて、調整可能な相互作用と外部場を有する量子スピンハミルトニアンをどのようにシミュレートできるか？
• RQ2 捕獲イオン系における高精度な二量子ビットゲートを達成するための最適な実験的パラメータと制御方式は何か？
• RQ3 制御された相互作用を有するサーフェス電極イオントラップアレイを用いて、量子シミュレーションのスケーラビリティをどのように向上できるか？
• RQ4 光的に捕獲されたイオンにおけるデコherenceのメカニズムと寿命の上限は何か、そしてそれらをどのように緩和できるか？
• RQ5 幾何位相ゲートは、断熱的または動的ゲートと比較して、ロバスト性と精度の面で優れていると言えるか？

主な発見

• 現在の実験では、99.9％に近い忠実度の高い単一および二量子ビット操作が達成されており、信頼性の高い量子シミュレーションが可能である。
• レーザー駆動のサイドバンド遷移を介して有効な $oldsymbol{ ilde{ au}}_z oldsymbol{ ilde{ au}}_z$ 相互作用が生成され、量子イジングハミルトニアンを含むスピンモデルのシミュレーションが可能である。
• 非アーベルホロノミーに基づく幾何位相ゲートは、レーザー強度および周波数オフセットの誤差に対して感受性が低いエンタングル操作を提供する。
• 正準変換により、時間に依存するハミルトニアンが正確に回転フレームに写像され、$ ilde{ au}_z ilde{ au}_z$ 相互作用項を有する簡略化された有効ハミルトニアンが得られる。
• 最適化されたサーフェス電極トラップの2次元アレイでは、デコherenceを最小限に抑えながら相互作用強度を最大化でき、長寿命のイオンを維持できる。
• 光学ダイポールトラップは、1秒を超えるコherences時間を持つ長寿命のイオン貯蔵を可能にし、ハイブリッドイオン-原子系におけるスケーラブルな量子シミュレーションを支援する。