[논문 리뷰] Exploring adiabatic quantum dynamics of the Dicke model in a trapped ion quantum simulator

Arghavan Safavi-Naini, Robert J. Lewis-Swan외 8명|arXiv (Cornell University)|2017. 11. 20.

Quantum Computing Algorithms and Architecture인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 레이저 구동 중심질량 진동수를 통해 스핀과 운동 자유도가 결합된 약 70개의 이온을 포함하는 트랩 이온 양자 시뮬레이터를 사용하여 딕 흡수 모델의 초광란 상태를 단열적으로 준비하는 것을 보여준다. 현재 실험적 제약이 존재하지만, 비산란 제어와 매개변수 조정의 약간의 향상으로 N ~ 20 이온일 경우 목표 스핀-보존 캣 상태와의 허용도 75%까지 도달할 수 있음을 이론적 분석이 밝혀냈다.

ABSTRACT

We use a self-assembled two-dimensional Coulomb crystal of $\sim 70$ ions in the presence of an external transverse field to engineer a quantum simulator of the Dicke Hamiltonian. This Hamiltonian has spin and bosonic degrees of freedom which are encoded by two hyperfine states in each ion and the center of mass motional mode of the crystal, respectively. The Dicke model features a quantum critical point separating two distinct phases: the superradiant (ferromagnetic) and normal (paramagnetic) phases. We experimentally explore protocols that aim to adiabatically prepare the superradiant ground state, a spin-boson cat state with macroscopic phonon occupation, which is well-suited for enhanced metrology and quantum information processing. We start in the normal phase, with all spins aligned along a large transverse field and ramp down the field across the critical point following various protocols. We measure the spin observables, both experimentally and in our simulations to characterize the state of the system at the end of the ramp. We find that under current operating conditions an optimally designed ramp is not sufficient to achieve significant fidelity with the superradiant ground state. However, our theoretical investigation shows that slight modifications of experimental parameters, together with modest reductions in decoherence rates and thermal noise can increase the cat-state fidelity to $\sim 75\%$ for $N \sim 20$ spins. Our results open a path for the use of large ensembles of trapped ions as powerful quantum sensors and quantum computers.

연구 동기 및 목표

• 트랩 이온 양자 시뮬레이터를 사용하여 딕 흡수 모델의 초광란 기저 상태에 대한 단열 상태 준비를 탐색한다.
• 효과적 스핀 모델과의 차이를 고려하여, 전체 스핀-보존 역학이 단열 진화에 미치는 영향을 조사한다.
• 다양한 횡방향 자기장 램프 프로토콜의 성능을 비교하여 정밀 측정에 유용한 얽힌 상태를 준비하는 데에 활용한다.
• 목표 캣 상태와의 허용도를 크게 향상시킬 수 있는 실험적 매개변수 수정을 규명한다.
• 비단열 램프도 기저 상태와의 허용도가 낮더라도 높은 양자 피셔 정보를 갖는 상태를 생성할 수 있음을 보여준다. 이는 양자 정밀 측정에 유용하다.

제안 방법

• 70개의 9Be+ 이온으로 이루어진 2차원 쿨롱 결정이 페닝 트랩에 준비되며, 스핀 자유도는 초미세 상태에, 운동 자유도는 중심질량 모드에 각각 인코딩된다.
• 레이저 구동 스핀 의존력이 진동수를 매개로 한 장거리 스핀-스핀 상호작용을 유도하여, 조정 가능한 횡방향 자기장과 스핀-진동수 결합을 갖는 딕 흡수 해밀토니안을 실현한다.
• 시스템은 큰 횡방향 자기장으로 정상 상에 초기화된 후, 양자临계점(quantum critical point)을 단절적으로 통과시켜 초광란 상에 도달하도록 램프를 적용한다.
• 실험적 스핀 관측량(예: ⟨Sz⟩ 및 P(Mz)) 측정 결과를 전체 스핀-진동수 모델의 수치 시뮬레이션과 비교하여 상태 허용도를 평가한다.
• 이론적 분석은 중심질량 모드에서의 떨어짐의 영향을 탐색하고, 딕 흡수 모델의 준위 구조가 리플킨-메쉬코프-골드스타인 모델과 유사해지는 매개변수 영역을 규명한다.
• 간섭계적 프로토콜에 활용 가능한 스핀 전용 캣 상태를 전체 스핀-보존 상태에서 분리하기 위한 탈얽힘 프로토콜을 제안한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전체 스핀-보존 역학을 고려한 트랩 이온 시뮬레이터에서 딕 흡수 모델의 초광란 기저 상태에 대한 단열 상태 준비가 가능할 수 있는가?
• RQ2 이 시스템에서 진동수 자유도는 단열 상태 준비의 허용도를 제한하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 다양한 횡방향 자기장 램프 프로토콜은 최종 상태의 얽힘과 정밀 측정 활용성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 높은 허용도의 목표 스핀-보존 캣 상태를 준비하기 위해 어떤 매개변수 수정이나 실험적 향상이 필요한가?
• RQ5 비단열 램프는 기저 상태와의 허용도가 낮더라도 높은 양자 피셔 정보를 갖는 상태를 생성할 수 있는가?

주요 결과

• 현재 실험 조건에서는 기저 상태의 단열 준비 허용도가 낮은 수준에 머무르지만, 캣 상태 형성과 일치하는 이중피크 스핀 분포가 성공적으로 관측되었다.
• 이론적 모델링은 비산란과 열노이즈를 약간 줄이고, 약간의 매개변수 조정을 통해 N ~ 20 이온일 경우 진정된 초광란 기저 상태와의 허용도 50–75%를 달성할 수 있음을 보여준다.
• LAA 램프 프로토콜은 약 1ms 내에 이소핑 해밀토니안이 약 3ms가 걸리는 것보다도 더 높은 입자당 양자 피셔 정보(FQ > 1)를 생성하여, 빠른 얽힘 생성에 있어 뛰어난 성능을 보인다.
• 목표 상태와의 허용도가 낮더라도, 생성된 상태는 높은 양자 피셔 정보로 인해 정밀 측정에 활용 가능한 얽힘을 보여주었다.
• 이론적 분석은 중심질량 모드에서의 떨어짐이 에너지 스펙트럼을 리플킨-메쉬코프-골드스타인 모델과 더 유사하게 변화시켜 단열성을 향상시킬 수 있음을 확인했다.
• 전체 스핀-보존 상태에서 스핀 전용 캣 상태를 분리하기 위한 탈얽힘 절차를 제안하여 간섭계적 양자 센싱에 활용 가능성을 열었다.