[논문 리뷰] Realization of two-dimensional crystal of ions in a monolithic Paul trap

Ye Wang, Mu Qiao외 10명|arXiv (Cornell University)|2019. 12. 09.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates참고 문헌 63인용 수 16

한 줄 요약

이 논문은 단일 금 도금 레이저 가공 알루미나 기판 상에 제작된 통합형 폴 트랩을 제시하며, 이는 171Yb+ 이온 수십 개를 두 차원(2D) 결정 격자에서 안정적으로 구속한다. 트랩의 전극 기하구조를 조절하여 마이크로모션 방향을 라만 레이저 빔의 전파 방향과 수직으로 정렬함으로써, 저자들은 이온 큐비트의 공명 제어를 달성하고, 큰 스핀-스핀 결합 강도를 구현하여 미니멀한 마이크로모션 영향을 받는 스케일러블 2D 양자 시뮬레이션을 가능하게 한다.

ABSTRACT

We present a simple Paul trap that stably accommodates up to a couple of dozens of \ensuremath{^{171}\mathrm{Yb}^+~} ions in a stationary two-dimensional lattice. The trap is constructed on a single plate of gold-plated laser-machined alumina and can produce a pancake-like pseudo-potential that makes ions form a self-assembly two-dimensional crystal which locates on the plane composed of axial and one of the transverse axes with around 5 $\mu$m spacing. We use Raman laser beams to coherently manipulate these ion-qubits where the net propagation direction is perpendicular to the plane of the crystal and micromotion. We perform the coherent operations and study the spectrum of vibrational modes through globally addressed Raman laser-beams on a dozen of ions in the two-dimensional crystal. We measure the amplitude of micro-motion by comparing the strengths of carrier and micro-motion sideband transitions with three ions, where the micro-motion amplitude is similar to that of a single ion. The spacings of ions are small enough for large coupling strengths, which is a favorable condition for two-dimensional quantum simulation.

연구 동기 및 목표

• 스케일러블이고 컴팩트한 플랫폼을 개발하여 2D 이온 결정을 양자 시뮬레이션과 양자 계산에 적합하게 한다.
• 폴 트랩에서 발생하는 마이크로모션 문제를 해결하여, 2D 구성에서 공명 레이저 작동을 방해하는 요소를 제거한다.
• 마이크로모션 축을 라만 레이저 빔의 전파 방향과 수직으로 정렬하여 위상 변조를 최소화하고 고정밀 큐비트 작동을 가능하게 한다.
• 수십 개의 이온을 포함한 2D 이온 결정에서 공명 작동을 수행하고 진동 모드 스펙트럼을 측정한다.
• 작은 이온 간격을 유지함으로써 큰 효과적 스핀-스핀 결합 강도를 달성하여, 2D 다체 물리 시뮬레이션에 유리한 조건을 확보한다.

제안 방법

• 단일 알루미나 플레이트에 레이저 가공을 통해 통합형 3층 폴 트랩을 제작하고, 금 전극 도금을 통해 허위 포텐셜 장을 정밀하게 제어한다.
• 트랩 설계는 45° 각도로 배치된 RF 전극과 팬케이크 형태의 허위 포텐셜을 형성하기 위해 배열된 DC 전극을 포함하며, 이는 x 및 z 축을 따라 2D 평면에 이온을 구속한다.
• 공명 작동에 사용되는 라만 레이저 빔의 순방향과 수직으로 마이크로모션 축을 정렬함으로써 마이크로모션 영향을 최소화한다.
• 355 nm 파장의 라만 레이저 빔을 사용하여 이중광자 전이 방식으로 큐비트를 공명 제어하며, 빔 전파 방향은 이온 결정 평면과 수직이다.
• 이온 결정은 전자 증폭형 CCD(EMCCD) 카메라를 통해 영상 촬영되며, 진동 모드는 전역적으로 접근 가능한 라만 빔을 통해 탐지된다.
• 3개의 이온으로 구성된 결정에서 캐리어 및 사이드밴드 전이 강도를 비교하여 마이크로모션 진폭을 정량화하였으며, 단일 이온 시스템과 유사한 수준의 마이크로모션 수준을 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 통합형 폴 트랩은 마이크로모션 영향을 최소화하면서 171Yb+ 이온의 2D 결정을 안정적으로 구속할 수 있는가?
• RQ2 라만 레이저 빔의 전파 방향을 마이크로모션 축과 수직으로 정렬함으로써 2D 이온 결정에서 큐비트의 공명 제어를 달성할 수 있는가?
• RQ3 2D 이온 결정에서의 효과적 스핀-스핀 결합 강도는 얼마이며, 선형 이온 체인과 비교해 볼 때 어떻게 다른가?
• RQ4 RF 및 DC 전압을 변화시킬 경우 이온 결정의 구조는 어떻게 변화하며, 어떤 상전이가 발생하는가?
• RQ5 2D 이온 결정에서 마이크로모션 진폭을 측정하고, 단일 이온 시스템과 유사한 수준임을 입증할 수 있는가?

주요 결과

• 트랩은 최대 수십 개의 171Yb+ 이온을 축(x)과 한 방향의 반경(z) 방향으로 정의된 평면에 안정적으로 구속하여 2D 결정을 형성하며, 이온 간격은 약 5 µm이다.
• 2D 결정에서의 마이크로모션 진폭은 단일 이온 시스템과 유사한 것으로 측정되어 마이크로모션 영향의 효과적인 억제를 확인하였다.
• 2D 결정 내 수십 개의 이온에서 공명 라만 작동이 성공적으로 수행되었으며, 전역적으로 접근 가능한 빔을 통해 진동 모드 스펙트럼이 측정되었다.
• 2D 결정에서의 효과적 스핀-스핀 결합 강도는 현재의 선형 이온 트랩 수준과 유사하여 2D 양자 시뮬레이션에 적합함을 시사한다.
• 축 방향 주파수를 임계값을 초과하여 증가시킬 경우 2D에서 3D 결정 구조로의 상전이가 관측되었으며, 이는 z축 크기의 붕괴와 함께 결정 크기의 급격한 증가를 수반한다.
• 트랩 설계는 높은 광학 접근성과 안정된 작동을 가능하게 하며, RF 및 DC 전압 제어를 통해 결정 크기와 구조를 조절 가능하다.