[論文レビュー] Sympathetic cooling of $^9Be^+$ and $^{24}Mg^+$ for quantum logic

M. D. Barrett, Brian DeMarco+10 more|CERN Bulletin|Jul 11, 2003

Quantum Information and Cryptography参考文献 1被引用数 9

ひとこと要約

この論文は、線形パウルトラップ内に配置された、1つの$^9\mathrm{Be}^+$と1つの$^{24}\mathrm{Mg}^+$イオンからなる二イオン結晶に対して、$^9\mathrm{Be}^+$のレーザー冷却を用いて、クーロン相互作用によって両イオンの運動モードを共役冷却することを示している。$^9\mathrm{Be}^+$と$^{24}\mathrm{Mg}^+$の冷却遷移間の33 nmの大きな分離により、$^{24}\mathrm{Mg}^+$に影響を与えることなく$^9\mathrm{Be}^+$のみを効率的に冷却でき、イオン結晶量子コンピュータにおけるモードの基底状態への再初期化を、$^{24}\mathrm{Mg}^+$に保存された量子ビット状態をデコherenceさせることなく実現できる。

ABSTRACT

We demonstrate the cooling of a two species ion crystal consisting of one $^9Be^+$ and one $^{24}Mg^+$ ion. Since the respective cooling transitions of these two species are separated by more than 30 nm, laser manipulation of one ion has negligible effect on the other even when the ions are not individually addressed. As such this is a useful system for re-initializing the motional state in an ion trap quantum computer without affecting the qubit information. Additionally, we have found that the mass difference between ions enables a novel method for detecting and subsequently eliminating the effects of radio frequency (RF) micro-motion.

研究の動機と目的

• イオントラップ量子コンピュータにおけるモードの基底状態冷却を、量子ビットのコherenceを損なうことなく実現すること。
• 1つのイオン（$^9\mathrm{Be}^+$）をレーザー冷却により冷却し、もう1つのイオン（$^{24}\mathrm{Mg}^+$）を量子ビットとして機能させる二種類のイオン系を実証し、クロストークを最小限に抑えること。
• $^9\mathrm{Be}^+$と$^{24}\mathrm{Mg}^+$の冷却遷移間の大きな周波数分離（約33 nm）を活用し、励起レーザー操作中に不要な結合を回避すること。
• イオン間の質量差を活用して、RFマイクロモーション効果を検出し、除去する手法を開発すること。

提案手法

• $^9\mathrm{Be}^+$の冷却には、ドーピラー冷却にD3ビーム、サイドバンド冷却にラマンビームを用い、遷移駆動に$\sigma^{-}$および$\pi$偏光を用いる。
• イオンは、軸方向のトラップ周波数が2.05 MHz（COMモード）および4.3 MHz（ストレッチモード）であり、17 Gの磁場が量子化軸を定義する線形パウルトラップに閉じ込められている。
• クーロン相互作用を通じて、両イオンの運動モードからのエネルギーが冷却された$^9\mathrm{Be}^+$イオンに移動することで、共役冷却が達成される。
• 理論的モデリングでは、正規モード座標と断熱的消去法を用い、基底状態密度行列の有効マスター方程式を導出し、系のダイナミクスを簡略化する。
• 有効ハミルトニアンと減衰率は、ラビ周波数と周波数オフセットから導出され、現実的な条件下での冷却ダイナミクスのシミュレーションが可能になる。
• イオン間の質量差を用いて、RFマイクロモーション効果の検出と低減が可能となり、実験的制御が向上する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $^9\mathrm{Be}^+$は、$^{24}\mathrm{Mg}^+$の量子ビット状態に影響を与えることなく、冷却剤イオンとして機能して$^{24}\mathrm{Mg}^+$を共役冷却できるか？
• RQ2 冷却遷移間の33 nmの分離により、$^9\mathrm{Be}^+$の選択的冷却が$^{24}\mathrm{Mg}^+$の内部状態に結合することなく可能か？
• RQ3 イオンが個別にアドレスされない状況でも、この手法により二イオン結晶のモードを基底状態に準備できるか？
• RQ4 イオン間の質量差を活用して、RFマイクロモーション効果を検出し、除去できるか？
• RQ5 断熱的消去手順は、冷却ダイナミクスのマスター方程式をどのように簡略化するか？

主な発見

• 二イオン結晶である$^9\mathrm{Be}^+$と$^{24}\mathrm{Mg}^+$は、$^9\mathrm{Be}^+$の共役冷却により、運動モードの基底状態に成功して冷却された。
• $^9\mathrm{Be}^+$の冷却遷移は、$^{24}\mathrm{Mg}^+$の冷却遷移から33 nm分離されており、クロストークを最小限に抑え、選択的レーザー冷却を可能にしている。
• このシステムは、イオンを個別にアドレスしなくても、高い忠実度で基底状態冷却を達成し、量子ビットのコherenceを保持した。
• 質量差のおかげで、RFマイクロモーション効果の検出と低減が可能となり、実験的制御が向上した。
• 断熱的消去と有効マスター方程式を用いた理論的モデリングにより、冷却ダイナミクスの正確な記述が可能となり、実験観測と一致した。
• この手法は、大規模なイオントラップ量子コンピュータにおけるモード再初期化のスケーラブルな解決策を提供する。