[논문 리뷰] Sympathetic cooling of $^9Be^+$ and $^{24}Mg^+$ for quantum logic

M. D. Barrett, Brian DeMarco외 10명|CERN Bulletin|2003. 07. 11.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 1인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 선형 파울 트랩에 갇힌 하나의 $^9\mathrm{Be}^+$ 및 하나의 $^{24}\mathrm{Mg}^+$ 이온으로 구성된 이이온 결정에서, $^9\mathrm{Be}^+$의 레이저 냉각을 통해 쿨롱 상호작용을 통해 두 이온의 운동 모드를 공감 냉각하는 방법을 보여준다. 냉각 전이 간의 큰 33 nm 간격 덕분에 $^9\mathrm{Be}^+$만 선택적으로 냉각할 수 있으며, 이는 $^{24}\mathrm{Mg}^+$에 저장된 큐비트 상태를 손상시키지 않고도 트랩된 이온 양자컴퓨터에서 운동 모드의 기본 상태를 재초기화할 수 있게 한다.

ABSTRACT

We demonstrate the cooling of a two species ion crystal consisting of one $^9Be^+$ and one $^{24}Mg^+$ ion. Since the respective cooling transitions of these two species are separated by more than 30 nm, laser manipulation of one ion has negligible effect on the other even when the ions are not individually addressed. As such this is a useful system for re-initializing the motional state in an ion trap quantum computer without affecting the qubit information. Additionally, we have found that the mass difference between ions enables a novel method for detecting and subsequently eliminating the effects of radio frequency (RF) micro-motion.

연구 동기 및 목표

• 트랩된 이온 양자컴퓨터에서 큐비트 양자상태를 손상시키지 않고 운동 모드의 기본 상태 냉각을 가능하게 하기 위해.
• 한 이온($^9\mathrm{Be}^+$)은 레이저 냉각을 통해 냉각되고 다른 이온($^{24}\mathrm{Mg}^+$)은 큐비트로 기능하는 이종 이온 시스템을 구현하여 교란을 최소화하기 위해.
• $^9\mathrm{Be}^+$와 $^{24}\mathrm{Mg}^+$의 냉각 전이 간의 큰 주파수 간격(~33 nm)을 활용하여 레이저 조작 중에 의도하지 않은 결합을 방지하기 위해.
• 이온 간 질량 차이를 활용하여 RF 마이크로운동 효과를 감지하고 제거하는 방법을 개발하기 위해.

제안 방법

• $^9\mathrm{Be}^+$의 레이저 냉각은 도플러 냉각을 위한 D3 빔과 사이드밴드 냉각을 위한 라만 빔을 사용하며, 전이를 자극하기 위해 $\sigma^{-}$ 및 $\pi$ 편광을 적용한다.
• 이온들은 축방향 트랩 주파수가 2.05 MHz(COM 모드) 및 4.3 MHz(스트레치 모드)인 선형 파울 트랩에 갇혀 있으며, 17 G 자기장이 정량화 축을 설정한다.
• 이온 간 쿨롱 상호작용을 통해 공감 냉각이 이루어지며, 이 과정에서 두 이온의 운동 모드에서 에너지가 레이저 냉각된 $^9\mathrm{Be}^+$ 이온으로 전달된다.
• 이론적 모델링은 정규 모드 좌표와 단서적 제거를 사용하여 시스템의 동역학을 단순화한 효과적 마스터 방정식을 유도한다.
• 효과적 해밀토니안과 감쇠율은 라비 주파수와 떨어짐을 기반으로 유도되어 실제 조건 하에서 냉각 동역학의 시뮬레이션을 가능하게 한다.
• 이온 간 질량 차이를 활용하여 RF 마이크로운동 효과를 감지하고 보완할 수 있으며, 이는 실험 제어를 향상시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 $^9\mathrm{Be}^+$가 냉각제 이온으로 기능하여 $^{24}\mathrm{Mg}^+$를 냉각시킬 수 있는가, 이 과정에서 큐비트 상태에 영향을 주지 않는가?
• RQ2 냉각 전이 간 33 nm 간격이 $^9\mathrm{Be}^+$의 선택적 냉각을 가능하게 하고, $^{24}\mathrm{Mg}^+$ 내부 상태와의 결합을 방지하는가?
• RQ3 이온을 개별적으로 조작하지 않더라도 이 방법을 통해 이이온 결정에서 운동 기본 상태를 준비할 수 있는가?
• RQ4 이온 간 질량 차이를 활용하여 RF 마이크로운동 효과를 감지하고 제거할 수 있는가?
• RQ5 단서적 제거 절차가 냉각 동역학에 대한 마스터 방정식을 어떻게 단순화하는가?

주요 결과

• 이온 두 개로 이루어진 $^9\mathrm{Be}^+$ 및 $^{24}\mathrm{Mg}^+$ 이온 결정이 $^9\mathrm{Be}^+$의 공감 냉각을 통해 운동 기본 상태로 성공적으로 냉각되었다.
• $^9\mathrm{Be}^+$의 냉각 전이가 $^{24}\mathrm{Mg}^+$와 33 nm 떨어져 있어 교란을 최소화하고 선택적 레이저 냉각이 가능하다.
• 이온을 개별적으로 조작하지 않아도 높은 정밀도의 기본 상태 냉각을 달성하였으며, 큐비트 양자상태의 보존이 유지되었다.
• 질량 차이 덕분에 RF 마이크로운동 효과를 감지하고 억제할 수 있었으며, 실험 제어가 향상되었다.
• 단서적 제거와 효과적 마스터 방정식을 사용한 이론적 모델링은 냉각 동역학을 정확히 기술하였고, 실험 결과와 일치하였다.
• 이 방법은 대규모 트랩된 이온 양자컴퓨터에서 운동 모드를 재초기화하는 확장 가능한 솔루션을 제공한다.