[논문 리뷰] Towards Rydberg quantum logic with trapped ions

P. Bachor, Thomas Feldker외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 02. 16.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 29인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 729 nm 레이저를 이용해 3D5/2 고체 준위를 준비한 후, 123 nm 진공 자외선(VUV) 펄스를 사용하여 선형 쿨롱 결정 내 개별 40Ca+ 이온을 22F 라이드베르크 상태로 일관성 있게 선택적 자극하는 것을 보여준다. 주요 결과는 선택적 자극된 이온과 비선택적 자극된 이온 간 라이드베르크 자극 비율이 약 3:1에 이를 수 있었으며, 이는 이온 이동 및 단일 이온 선택적 자극을 통해 달성되었으며, 트랩된 이온에서의 라이드베르크 양자 논리의 핵심 플랫폼을 확립한다.

ABSTRACT

We demonstrate the excitation of ions to the Rydberg state $22F$ by vacuum ultraviolet radiation at a wavelength of $123\, ext{nm}$ combined with the coherent manipulation of the optical qubit transition in $^{40} ext{Ca}^+$. With a tightly focused beam at $729\, ext{nm}$ wavelength we coherently excite a single ion from a linear string into the metastable $3D_{5/2}$ state before a VUV pulse excites it to the Rydberg state. In combination with ion shuttling in the trap, we extend this approach to the addressed excitation of multiple ions. The coherent initialization as well as the addressed Rydberg excitation are key prerequisites for more complex applications of Rydberg ions in quantum simulation or quantum information processing.

연구 동기 및 목표

• 40Ca+에서 광학 큐비트의 일관성 있는 제어를 라이드베르크 상태 자극과 융합하여 확장 가능한 양자 정보 처리를 실현하기 위해.
• 729 nm 레이저를 강하게 집중시켜 선형 이온 결정 내 개별 이온의 3D5/2 준위 큐비트 상태를 준비하기 위해.
• 123 nm VUV 복사원을 제어하고 집중시켜 트랩된 이온 결정 내 개별 이온의 라이드베르크 상태 자극을 수행하기 위해.
• 큐비트 제어와 라이드베르크 자극을 융합할 수 있는 가능성을 입증하기 위해.
• 향후 장수명 np 상태(n≈50)로의 자극을 가능하게 하여 라이드베르크 상호작용과 게이트 정밀도를 향상시키기 위해.

제안 방법

• 금 도금 처리된 세라믹 블레이드를 갖춘 분할형 선형 파울 트랩과 6.5–20 MHz의 RF 구동을 사용하여 40Ca+ 이온을 선형 결정으로 구속한다.
• 729 nm 레이저 빔을 강하게 집중시켜 라비 진동을 통해 개별 이온의 3D5/2 준위 큐비트 상태를 일관성 있게 선택적 자극하고 준비한다.
• 123.256119(5) nm의 VUV 원천이 좁은 대역폭의 연속파 복사를 생성하여 22F 상태의 라이드베르크 자극을 위해 사용된다.
• 분할형 트랩 전극에 전압 램프(±280 mV, 500 μs)를 적용하여 이온 체인을 이동시켜 특정 이온이 729 nm 빔과 정렬되도록 하여 선택적 자극을 가능하게 한다.
• 자기 양자수 m의 변화를 모니터링하여 라이드베르크 자극을 검출함으로써 총 각운동량 j보다 검출 효율을 향상시킨다.
• 배경 기준값 및 校정을 통해 VUV 펄스 시간과 검출 시간의 겹침으로 인한 비선택적 이온 자극을 보정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 선형 40Ca+ 결정 내 개별 이온은 강하게 집중된 729 nm 레이저 빔을 사용해 3D5/2 큐비트 상태로 일관성 있게 준비될 수 있는가?
• RQ2 123 nm VUV 복사는 트랩된 이온 결정에 효과적으로 도달하여 22F 라이드베르크 상태를 자극할 수 있는가?
• RQ3 이온 이동과 빔 집중을 통해 선택적 자극된 이온과 비선택적 자극된 이온 간 고대비 비율을 달성할 수 있는가?
• RQ4 다중 이온 체인에서 큐비트 준비와 VUV 자극을 융합했을 때, 단일 이온 선택적 자극과 라이드베르크 자극의 정밀도는 어떠한가?
• RQ5 잔류 배경 자극은 측정 정밀도에 어떤 영향을 미치며, 이를 보완할 수 있는가?

주요 결과

• 729 nm 레이저는 선택적 자극된 중심 이온에서 80 kHz의 라비 주파수를 보였으며, 비선택적 자극된 이온들은 대부분 자극되지 않았다.
• 배경 기준 후 라이드베르크 자극 비율이 선택적 자극된 이온 대비 비선택적 자극된 이온과 약 3:1이었으며, 이는 효과적인 선택적 자극을 의미한다.
• 비선택적 자극된 이온에서 일관된 8%의 배경 신호가 관측되었으며, 이는 VUV 펄스와 검출 시간의 겹침 및 검출 중 잔류 자극으로 인한 것으로 기인한다.
• 트랩 전극에 ±280 mV 전압 램프를 적용하여 이온 체인을 500 μs 내에 14 μm 이동시켰지만, 라비 진동 대비 대비나 불필요한 자극 증가 없이 유지되었다.
• 3이온 체인에서 외측 이온 둘의 자극 비율은 약 2.8:1을 기록하여, 이론적 선택적 자극 방법의 확장 가능성을 확인하였다.
• 자기 양자수 m을 통한 검출 방법은 총 각운동량 j 대비 검출 효율을 향상시켰다.