[논문 리뷰] Experimental demonstration of quantum state tomography applied to dopant ions in a solid

Jevon J. Longdell, Matthew J. Sellars|arXiv (Cornell University)|2002. 08. 29.

Quantum optics and atomic interactions인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 Y₂SiO₅ 결정 내에 도핑된 Eu³⁺ 이온의 앙상블에 대해 광파동을 사용하여 큐비트를 조작하고 측정하는 방법으로 양자 상태 단층촬영을 수행한다. 상태 준비 및 측정에서 90% 이상의 정밀도를 달성하였고, 이완 상호작용을 관측함으로써 이 고체계에서의 다중 큐비트 양자 계산을 위한 기반을 마련하였다.

ABSTRACT

We report on the implementation of quantum state tomography for an ensemble of Eu$^{3+}$ dopant ions in a Y$_2$SiO$_5$ crystal. The tomography was applied to a qubit based on one of the ion's optical transitions. The qubit was manipulated using optical pulses and measurements were made by observing the optical free induction in a phase sensitive manner. Fidelities of $>90$% for the combined preparation and measurement process were achieved. Interactions between the ions due to the change in the ions' permanent electric dipole moment when excited optically were also measured. In light of these results, the ability to do multi-qubit quantum computation using this system is discussed.

연구 동기 및 목표

• Y₂SiO₅ 결정 내에 도핑된 Eu³⁺ 이온에 기반한 고체계 큐비트에 대해 양자 상태 단층촬영을 구현하는 것.
• 단계에 민감한 광학 검출을 사용하여 큐비트 상태의 고정밀도 준비 및 측정을 달성하는 것.
• 광학적 자극에 의해 유도된 이온 간의 전기 dipole-dipole 상호작용을 특성화하는 것.
• 이 희토류 도핑 결정계를 이용한 다중 큐비트 양자 계산의 가능성 평가하기

제안 방법

• 큐비트 상태를 공명적으로 조작하기 위해 광파동을 사용하여 Eu³⁺ 이온의 앙상블에 대해 양자 상태 단층촬영을 수행하였다.
• 측정는 광학 자유 유도 감쇠 신호의 단계에 민감한 검출을 통해 수행되었다.
• 큐비트는 Eu³⁺ 이온의 특정 광학 전이에 의해 인코딩되었으며, 맞춤형 레이저 펄스를 통해 공명 제어가 가능했다.
• 광학 자극에 의해 유도된 전기 dipole 모멘트의 변화를 관측함으로써 이온 간의 상호작용을 탐색하였다.
• 표준 양자 과정 단층촬영 프로토콜을 사용하여 상태 준비 및 측정 과정의 전체 정밀도를 정량화하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 희토류 도핑 이온의 고체계 앙상블에 대해 양자 상태 단층촬영을 성공적으로 구현할 수 있는가?
• RQ2 이 시스템에서 상태 준비 및 측정의 정밀도는 얼마인가?
• RQ3 광학적으로 자극된 이온 간의 전기 dipole-dipole 상호작용은 큐비트의 위상 안정성 및 제어에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 이 시스템은 얼마나 스케일러블한 다중 큐비트 양자 계산을 지원할 수 있는가?

주요 결과

• 상태 준비 및 측정 과정의 전체 정밀도가 90%를 초과하였다.
• 광학 자유 유도 감쇠 신호의 단계에 민감한 검출을 통해 큐비트 상태의 고정밀도 읽기 측정이 가능했다.
• 광학 자극에 의해 유도된 영구 전기 dipole 모멘트의 변화로 인해 Eu³⁺ 이온 간의 전기 dipole-dipole 상호작용이 실험적으로 관측되었다.
• 측정된 상호작용은 이 시스템 내 큐비트 간의 제어 가능한 상호작용 가능성을 시사한다.
• 결과는 Y₂SiO₅ 내 광학적으로 제어 가능한 Eu³⁺ 이온을 이용한 다중 큐비트 양자 계산의 잠재력을 뒷받침한다.