[論文レビュー] Tunable transverse spin-motion coupling for quantum information processing

Adam West, Randall Putnam+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 20, 2020

Quantum Information and Cryptography参考文献 37被引用数 13

ひとこと要約

本論文は、レーザー光ビームの横方向強度勾配を活用することで、捕獲イオンにおける調整可能な横方向スピン-運動モード結合を実証した。この手法により、縦方向結合に依存せずに運動モードサイドバンド強度を制御可能となり、サイドバンド操作中のキャリア遷移や逆にキャリア遷移の抑制が可能となり、量子情報処理システムにおける非共鳴エラーの低減とゲートの忠実度向上が実現された。

ABSTRACT

Laser-controlled entanglement between atomic qubits (`spins') and collective motion in trapped ion Coulomb crystals requires conditional momentum transfer from the laser. Since the spin-dependent force is derived from a spatial gradient in the spin-light interaction, this force is typically longitudinal -- parallel and proportional to the average laser $k$-vector (or two beams' $k$-vector difference), which constrains both the direction and relative magnitude of the accessible spin-motion coupling. Here, we show how momentum can also be transferred perpendicular to a single laser beam due to the gradient in its transverse profile. By controlling the transverse gradient at the position of the ion through beam shaping, the relative strength of the sidebands and carrier can be tuned to optimize the desired interaction and suppress undesired, off-resonant effects that can degrade gate fidelity. We also discuss how this effect may already be playing an unappreciated role in recent experiments.

研究の動機と目的

• 従来の縦方向結合にとどまらない、捕獲イオンにおけるスピン-運動モードもつれの制御手法の開発を目的とする。
• ビーム伝搬および電極幾何学に起因して固定化されている既存の捕獲イオン系におけるスピン-運動モード結合の制限を克服することを目的とする。
• 横方向のレーザー強度勾配が、ビーム方向に垂直な方向に調整可能なスピン-運動モード結合を生成できることを示すこと。
• キャリア遷移とサイドバンド遷移のRabi周波数を独立に調整することで、非共鳴遷移を抑制し、ゲートの忠実度を向上させること。

提案手法

• イオンの平衡位置の周囲におけるレーザー光ビームの横方向強度プロファイルのテイラー展開を用いたスピン-運動モード結合の理論的モデリング。
• ビームの焦点径、イオン位置（d）、およびビーム強度勾配を関数として、一次および二次サイドバンドの有効Rabi周波数を導出。
• 空間的依存性をモデル化するため、ガウスビームプロファイル f(w, x) = exp(−2x²/w²) を用い、イオンの平衡位置からのビームオフセット d を考慮。
• 時間に依存するシュレーディンガー方程式の数値的解法により、Rabi分光法のシミュレーションと実験データのフィッティングを実施。
• 表面電極トラップに封入された1個の138Ba+イオンを用いた実験的検証。ビームはトラップ軸に対して45°の角度で共進路に照射。
• 温度、ビーム焦点径、ビーム位置を変化させることで、測定されたRabiスペクトルを理論的予測と一致させるフィッティング手法を採用。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 レーザー光ビームの横方向強度勾配が、捕獲イオンにおける調整可能なスピン-運動モード結合を誘発できるか？
• RQ2 ビームの形状および位置を調整することで、キャリア遷移と運動モードサイドバンド遷移の相対的強度を独立に制御できるか？
• RQ3 横方向スピン-運動モード結合が、捕獲イオン量子コンピューティングにおけるゲートの忠実度に及ぼす影響はどの程度か？
• RQ4 この効果は、既存の捕獲イオン実験において、焦点が非常に強いビームを用いている場合にすでに存在し、悪影響を及ぼしている可能性はあるか？

主な発見

• 共進路ビーム幾何学を用いた1個の138Ba+イオンにおいて、横方向スピン-運動モード結合が実験的に観測された。25 kHz、80 kHz、110 kHzの明確な運動モードサイドバンドが観察された。
• イオンの温度を調整することで、有効なビーム焦点径およびイオンに対する相対的位置が変化し、サイドバンド強度が制御可能であり、理論的予測と整合した。
• ビーム焦点径 w = 1.5 µm、ずれ d ≈1.8 µm の条件下で、一次サイドバンドの有効ランプ＝ディックパラメータは、ターゲットイオンで ˜η(1) ≈0.017、隣接イオンで ˜η(1) ≈0.030 であった。
• モデルは、線形イオントラップにおける残留もつれが生じ得ることを予測しており、ドーピラー極限における平均軸方向フォノン占有数は ¯n ≈36 である。
• 理論的解析により、ビーム位置およびプロファイルを調整することで、キャリア遷移とサイドバンド遷移のRabi周波数を独立に抑制でき、非共鳴エラーが低減することが示された。
• この効果は、既存の実験においてもすでに寄与しており、Debnathらの171Yb+プロセッサでは、4%のクロストークが d ≈1.8 µm のビームずれによって説明可能である可能性がある。