[논문 리뷰] Transport of multispecies ion crystals through a junction in an RF Paul trap

William Cody Burton, Brian Estey외 4명|arXiv (Cornell University)|2022. 06. 23.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 표면 전극 RF 폴 트랩에서 X-교차점(junction)을 통과하는 138Ba+와 171Yb+ 이온을 포함한 다종의 이온 결정을 처음으로 운반한 바 있다. 분할된 제어 전극에 대해 최적화된 시간에 따라 변화하는 전압을 적용함으로써, 최대 4 m/s의 속도로 낮은 진동수 자극 운반을 달성하였으며, 축 방향 중심질량 모드에서 왕복 한 번당 0.013–0.030 퀘이낸트의 자극만을 유발하여, 2차원 이온 트랩 아키텍처에서 확장 가능하고 오차가 적은 양자 연산을 가능하게 하였다.

ABSTRACT

We report on the first demonstration of transport of a multispecies ion crystal through a junction in an RF Paul trap. The trap is a two-dimensional surface-electrode trap with an X junction and segmented control electrodes to which time-varying voltages are applied to control the shape and position of potential wells above the trap surface. We transport either a single $^{171}$Yb$^+$ ion or a crystal composed of a $^{138}$Ba$^+$ ion cotrapped with the $^{171}$Yb$^+$ ion to any port of the junction. We characterize the motional excitation by performing multiple round-trips through the junction and back to the initial well position without cooling. The final excitation is then measured using sideband asymmetry. For a single $^{171}$Yb$^+$ ion, transport with a $4\;\mathrm{m/s}$ average speed induces between $0.013\pm0.001$ and $0.014\pm0.001$ quanta of excitation per round trip, depending on the exit port. For a Ba-Yb crystal, transport at the same speed induces between $0.013\pm0.001$ and $0.030\pm0.002$ quanta per round trip of excitation to the axial center of mass mode. Excitation in the axial stretch mode ranges from $0.005\pm0.001$ to $0.021\pm0.001$ quanta per round trip.

연구 동기 및 목표

• 다양한 종의 이온 결정을 교차점(junction)을 통해 운반하여 2차원 트랩된 이온 양자 컴퓨터에서 확장 가능한 전부-다른-연결성(all-to-all connectivity)을 실현하기 위해.
• 운반 중에 진동수 자극을 최소화하여 양자 얽힘을 유지하고 다중 큐비트 연산의 오차율을 낮추기 위해.
• 동반 냉각 이온이 복잡한 트랩 기하구조를 통과할 때 재정렬되거나 현저한 가열을 겪지 않고도 함께 운반될 수 있음을 입증하기 위해.
• 운반 속도, 전압 이격, 잔류 전기장이 이온 자극과 시스템 안정성에 미치는 영향을 분석하기 위해.
• 실험적 사이드밴드 비대칭 측정을 통해 수치 모델링을 검증하고, 교차점 운반 중에 발생하는 정규 모드의 교차 현상과 결정의 동적 거동을 특성화하기 위해.

제안 방법

• 연구는 X-교차점과 분할된 제어 전극을 갖춘 마이크로프린팅된 표면 전극 RF 폴 트랩을 사용하여, 이온 운반을 위한 시간에 따라 변화하는 잠재력 우물을 생성하였다.
• 제어 전극에 가해진 전압은 제약 조건이 있는 수치적 방법을 통해 최적화되어, 마이크로운동과 모드 결합을 최소화하는 부드러운 운반 웨이브폼을 생성하였다.
• 효과 잠재력 모델링을 위해 허구의 잠재력 근사법을 적용하였으며, 총 구속력은 RF 레일 기하구조에 의해 결정되며 제어 전압과는 독립적이다.
• 측정 영역(M1–M4) 간에 이온 운반을 수행하였으며, 운반 경로를 따라 보간된 잠재력 우물을 사용하였고, 중간 냉각 단계 없이 진행되었다.
• 다양한 왕복 운반 후 축 방향 모드에서 사이드밴드 비대칭 측정을 통해 진동수 자극을 정량화하였으며, 이로써 가열률을 추출할 수 있었다.
• 수치 시뮬레이션은 운반 중에 이온 결정의 정렬 방향, 정규 모드 주파수, 특히 교차점 중심 근처에서의 모드 교차 현상을 모델링하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2차원 표면 전극 RF 폴 트랩의 교차점에서 다종 이온 결정이 유의미한 진동수 자극 없이 운반될 수 있는가?
• RQ2 운반 속도가 단일 이온 및 결정 시스템의 축 방향 중심질량 모드와 스트레치 모드에서의 진동수 가열에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 모드 교차 현상과 결정 재정렬이 교차점 운반 중 진동수 자극에 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 동반 냉각 이온이 복잡한 트랩 기하구조를 통과할 때 재정렬되거나 과도한 가열 없이 큐비트 이온과 함께 운반될 수 있는가?
• RQ5 전압 이격과 외부 잔류 전기장이 운반 정밀도와 이온 안정성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 4 m/s 속도로 단일 171Yb+ 이온을 운반할 경우, 축 방향 중심질량 모드에서 왕복 한 번당 0.013–0.014 퀴낸트의 자극이 발생하였으며, 출구 포트 간에 유의미한 차이는 없었다.
• Ba-Yb 결정의 경우, 축 방향 중심질량 모드 자극은 출구 포트에 따라 0.013 ± 0.001에서 0.030 ± 0.002 퀴낸트까지 변동하였다.
• Ba-Yb 결정의 축 방향 스트레치 모드 자극은 0.005 ± 0.001에서 0.021 ± 0.001 퀴낸트까지 변동하였으며, M3 루트에서 더 높은 자극이 관측되었다.
• 수치 시뮬레이션 결과, 결정은 교차점 중심에서 축 방향에서 트랩 평면에 수직으로 재정렬되었으며, 171Yb+ 이온은 전체적으로 교차점에 가장 가까이 머물러 있었다.
• 운반 중 x = 25 μm 근처에서 모드 교차 현상이 발생하였으며, 이는 모드 결합을 복잡하게 만들 수 있지만, 반경 방향 모드를 사전 냉각한 경우에만 유의미한 가열을 유발하지 않았다.
• 반경 방향 모드를 사전 냉각한 경우, 축 방향 모드로의 가열 누설 현상은 관측되지 않았으며, 이는 운반 중 반경 방향 자극이 낮다는 것을 시사한다.