[論文レビュー] Transport of multispecies ion crystals through a junction in an RF Paul trap

William Cody Burton, Brian Estey+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 23, 2022

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、表面電極RFポールトラップ内でのX字型接合部を通じた、138Ba+および171Yb+からなるマルチスペーシーズイオン結晶の輸送を初めて実証した。分離制御電極に最適化された時間変化する電圧を適用することで、最大4 m/sの速度で低励起状態での輸送を達成し、軸方向重心モードで1往復あたり0.013〜0.030量子の励起にとどめ、2次元イオントラップアーキテクチャにおけるスケーラブルで低誤り率の量子操作を可能にした。

ABSTRACT

We report on the first demonstration of transport of a multispecies ion crystal through a junction in an RF Paul trap. The trap is a two-dimensional surface-electrode trap with an X junction and segmented control electrodes to which time-varying voltages are applied to control the shape and position of potential wells above the trap surface. We transport either a single $^{171}$Yb$^+$ ion or a crystal composed of a $^{138}$Ba$^+$ ion cotrapped with the $^{171}$Yb$^+$ ion to any port of the junction. We characterize the motional excitation by performing multiple round-trips through the junction and back to the initial well position without cooling. The final excitation is then measured using sideband asymmetry. For a single $^{171}$Yb$^+$ ion, transport with a $4\;\mathrm{m/s}$ average speed induces between $0.013\pm0.001$ and $0.014\pm0.001$ quanta of excitation per round trip, depending on the exit port. For a Ba-Yb crystal, transport at the same speed induces between $0.013\pm0.001$ and $0.030\pm0.002$ quanta per round trip of excitation to the axial center of mass mode. Excitation in the axial stretch mode ranges from $0.005\pm0.001$ to $0.021\pm0.001$ quanta per round trip.

研究の動機と目的

• マルチスペーシーズイオン結晶を接合部を通じて輸送することで、2次元トラップイオン量子コンピュータにおけるスケーラブルで全対全接続の通信を実現すること。
• 輸送中に励起状態を最小限に抑えることで、量子コherenveを維持し、多量子ビット操作の誤り率を低減すること。
• 共役冷却イオンが、再配置や顕著な加熱を伴わずに、複雑なトラップ幾何構造を通過しながらも、量子ビットイオンと共輸送可能であることを実証すること。
• 輸送速度、電圧ドリフト、余剰電場の影響がイオンの励起およびシステム安定性に与える影響を特定すること。
• 実験的サイドバンド非対称性測定を用いて、数値モデルによる結晶ダイナミクスとモード交差の妥当性を検証すること。

提案手法

• X字型接合部と分離制御電極を備えたマイクロフォーミングされた表面電極RFポールトラップを用い、時間変化するポテンシャル井戸を生成することでイオン輸送を実現した。
• 制約付き数値最適化法を用いて制御電極電圧を最適化し、マイクロモーションとモード結合を最小限に抑える滑らかな輸送波形を生成した。
• 有効ポテンシャルをモデル化するために擬似ポテンシャル近似を適用し、全閉じ込めはRFレールの幾何構造によって固定され、制御電圧とは独立した値とした。
• 測定ゾーン（M1–M4）間を、中間冷却を施さずに、輸送経路に沿った補間されたポテンシャル井戸を用いてイオンを輸送した。
• 複数回の往復輸送後に測定したサイドバンド非対称性を用いて励起状態（加熱率）を定量し、モード励起を評価した。
• 数値シミュレーションにより、輸送中のイオン結晶の配向、正規モード周波数、およびモード交差（特に接合部中心付近）をモデル化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2次元表面電極RFポールトラップ内の接合部を通じて、マルチスペーシーズイオン結晶を顕著な励起状態を伴わず輸送可能か？
• RQ2 輸送速度が、単一イオンおよび結晶系の両方における軸方向重心モードおよびストレッチモードの励起状態に与える影響は何か？
• RQ3 モード交差および結晶再配向が、接合部輸送中の励起状態に果たす役割は何か？
• RQ4 共役冷却イオンが、再配置や過剰な加熱を伴わずに、接合部を通じて量子ビットイオンと共輸送可能か？
• RQ5 電圧ドリフトおよび外部の余剰電場が、輸送の忠実度およびイオン安定性に与える影響は何か？

主な発見

• 4 m/sの速度で171Yb+単一イオンを輸送した場合、軸方向重心モードで1往復あたり0.013〜0.014量子の励起が生じ、出力ポート間で顕著な差異は認められなかった。
• Ba-Yb結晶の場合、軸方向重心モードの励起は、出力ポートに応じて0.013 ± 0.001〜0.030 ± 0.002量子/往復の範囲にとどまった。
• Ba-Yb結晶の軸方向ストレッチモードでは、0.005 ± 0.001〜0.021 ± 0.001量子/往復の励起が観測され、M3ルートでより高い励起が確認された。
• 数値シミュレーションでは、結晶が接合部中心で軸方向からトラップ平面に対して垂直方向に再配向することが示された。この際、171Yb+イオンは接合部に常に最も近づいていた。
• 輸送中、x = 25 μm付近でモード交差が生じ、モード結合の複雑化を引き起こす可能性があるが、径方向モードを事前に冷却することで顕著な加熱は発生しなかった。
• 径方向モードを事前に冷却した場合、軸方向モードへの加熱漏れの兆候は観測されず、輸送中の径方向励起が低減していることが示された。