[논문 리뷰] Freely configurable quantum simulator based on a two-dimensional array of individually trapped ions

Manuel Mielenz, Henning Kalis외 8명|arXiv (Cornell University)|2015. 12. 11.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 44인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 개별적으로 트랩된 이온의 확장 가능한 2차원 배열을 자유롭게 구성할 수 있는 양자 시뮬레이터로 제시하며, 전자적 및 진동 자유도에 대한 정밀한 제어를 가능하게 한다. 표면 전극 트랩을 사용하여 개별적으로 제어 가능한 전위 우물 구조를 구현함으로써, 저에너지 상태 준비, 모드 주파수 조절, 이온 간의 양자 얽힘을 구현하여 사용자 정의 가능한 2차원 격자 아키텍처에서 양자 역학적 동역학을 완전히 제어함을 보여준다.

ABSTRACT

A custom-built and precisely controlled quantum system may offer access to a fundamental understanding of another, less accessible system of interest. A universal quantum computer is currently out of reach, but an analog quantum simulator that makes the relevant observables, interactions, and states of a quantum model accessible could permit experimental insight into complex quantum dynamics that are intractable on conventional computers. Several platforms have been suggested and proof-of-principle experiments have been conducted. Here we characterise two-dimensional arrays of three ions trapped by radio-frequency fields in individually controlled harmonic wells forming equilateral triangles with side lengths 40 and 80 micrometer. In our approach, which is scalable to arbitrary two dimensional lattices, we demonstrate individual control of the electronic and motional degrees of freedom, preparation of a fiducial initial state with ion motion close to the ground state, as well as tuning of crucial couplings between ions within experimental sequences. Our work paves the way towards an analog quantum simulator of two-dimensional systems designed at will.

연구 동기 및 목표

• 2차원 배열의 개별적으로 트랩된 이온을 기반으로 확장 가능하고 완전히 구성 가능한 양자 시뮬레이터를 개발하기 위해.
• 2차원 이온 격자에서 전자적 및 진동 자유도에 대한 개별 제어를 가능하게 하기 위해.
• 이온 운동을 양자 기저 상태 근처에서 고정밀도로 초기화하기 위해.
• 설계된 제어 전위를 통해 이온 간의 조절 가능한 스핀-스핀 및 진동 결합을 구현하기 위해.
• 임의의 2차원 기하 구조에서 복잡한 양자 다체 시스템의 유사 양자 시뮬레이션을 위한 길을 열기 위해.

제안 방법

• 표면 전극 트랩을 사용하여 2차원 삼각 격자에서 이온을 개별적으로 제어 가능한 조화 전위 우물을 생성한다.
• 라디오파(RF) 전위를 사용하여 이온 간 거리가 40 μm 및 80 μm인 경우에 트랩 곡률을 정밀하게 제어한다.
• 시간에 따라 변화하는 제어 전위(예: $\hat{\kappa}_{\rm{rot}}$)를 적용하여 $xy$-평면 내에서 정규 모드를 회전시키고 모드 주파수를 조절한다.
• 도플러 냉각 및 해소된 사이드밴드 냉각을 사용하여 초기 상태를 $\bar{n}_j \lesssim 0.3$의 진동수를 갖는 상태로 준비한다.
• 다양한 주파수 $\omega_{\rm{exc}}$를 갖는 공명 자극 펄스를 사용하여 모드 주파수 및 가열 속도를 측정한다.
• 선형화된 전위 모델을 사용하여 모드 회전을 모델링한다: $[\partial_k\partial_l]\phi_{\rm{fin}} = [\partial_k\partial_l]\phi_{\rm{ini}} + U_{\rm{rot}}[\partial_k\partial_l]\kappa_{\rm{rot}}$, 캘리브레이션을 통해 유도된 곡률 텐서를 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 트랩된 이온의 2차원 배열에서 전자적 및 진동 자유도에 대한 개별 제어가 가능할 수 있는가?
• RQ2 2차원 이온 격자에서 설계된 제어 전위를 통해 모드 주파수와 결합을 어느 정도 조절할 수 있는가?
• RQ3 2차원 구조에서 최소한의 가열을 동반하여 이온 운동을 기저 상태 근처로 준비할 수 있는가?
• RQ4 이격된 자기장과 국소적 곡률은 다중 사이트 이온 트랩에서 모드 제어 및 안정성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 시스템은 모든 양자 역학적 동역학을 제어할 수 있는 임의의 2차원 격자로 확장 가능한가?

주요 결과

• 냉각 후 이온 운동의 기저 상태 준비가 이루어졌으며, 평균 진동수 수 $\bar{n}_j \lesssim 0.3$을 달성하였다.
• 모드 주파수는 1시간 동안 안정적으로 측정되었으며, 세 모드의 선형 드리프트는 각각 $-1.50(5)$, $-1.07(2)$, $-1.05(8)$ Hz s⁻¹를 보였다.
• 다중 냉각 펄스 후 사이드밴드 비율 분 析를 통해 가열 속도를 측정하여 디코herence 한계를 평가할 수 있었다.
• 제어 전위 $\hat{\kappa}_{\rm{rot}}$를 통해 $xy$-평면 내에서 정규 모드의 회전을 실현하였으며, 모델 예측 각도와 실험 데이터가 일치하였다.
• 점 $\mathbf{T0}$에서 곡률 텐서는 $[\partial_k\partial_l]\hat{\kappa}_{\rm{rot}}(\mathbf{r})|_{\mathbf{r}=\mathbf{T0}} = \begin{pmatrix} -1.60 & 1.75 & 0 \\ 1.75 & 0.84 & 0 \\ 0 & 0 & 0.76 \end{pmatrix} \times 10^7 \, \rm{m^{-2}}$로 측정되어 정밀한 모드 설계를 가능하게 하였다.
• 시스템은 모든 관련 매개변수, 즉 모드 방향, 주파수, 결합에 대한 완전한 제어를 보여주며, 2차원에서 임의의 양자 시뮬레이션을 실현할 수 있다.