[논문 리뷰] Tunable transverse spin-motion coupling for quantum information processing

Adam West, Randall Putnam외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 07. 20.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 37인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 레이저 빔의 횡방향 강도 기울기를 활용하여 포획된 이온에서 조절 가능한 횡방향 스핀-운동 상호작용 결합을 구현함으로써, 縦방향 결합에 영향을 받지 않는 운동 모드 사이드밴드 강도를 독립적으로 제어할 수 있음을 보여준다. 이 방법은 사이드밴드 작업 중에 공명 전이를 억제하거나 반대로, 비공명 오차를 줄이고 양자 정보 처리 시스템의 게이트 정밀도를 향상시킨다.

ABSTRACT

Laser-controlled entanglement between atomic qubits (`spins') and collective motion in trapped ion Coulomb crystals requires conditional momentum transfer from the laser. Since the spin-dependent force is derived from a spatial gradient in the spin-light interaction, this force is typically longitudinal -- parallel and proportional to the average laser $k$-vector (or two beams' $k$-vector difference), which constrains both the direction and relative magnitude of the accessible spin-motion coupling. Here, we show how momentum can also be transferred perpendicular to a single laser beam due to the gradient in its transverse profile. By controlling the transverse gradient at the position of the ion through beam shaping, the relative strength of the sidebands and carrier can be tuned to optimize the desired interaction and suppress undesired, off-resonant effects that can degrade gate fidelity. We also discuss how this effect may already be playing an unappreciated role in recent experiments.

연구 동기 및 목표

• 기존의 종방향 결합을 초월하여 포획 이온에서 스핀-운동 얽힘을 제어할 수 있는 방법을 개발하기 위해.
• 빔 전파 방향과 전극 기하구조에 의해 고정된 스핀-운동 결합으로 인해 발생하는 기존 포획 이온 시스템의 한계를 해결하기 위해.
• 레이저 강도의 횡방향 기울기가 빔 방향에 수직인 조절 가능한 스핀-운동 결합을 생성할 수 있음을 입증하기 위해.
• 빔 위치와 프로파일을 조절하여 캐리어 및 사이드밴드 라비 주파수를 독립적으로 조절함으로써 비공명 전이를 억제하고, 게이트 정밀도를 향상시키기 위해.

제안 방법

• 이온의 평형 위치 주변에서 레이저 빔의 횡방향 강도 프로파일의 테일러 전개를 이용한 스핀-운동 상호작용 이론 모델링.
• 빔 지름, 이온 위치(d), 빔 강도 기울기의 함수로 제1차 및 제2차 사이드밴드에 대한 효과적 라비 주파수 유도.
• 공간적 레이저-이온 결합의 의존성을 모델링하기 위해 가우시안 빔 프로파일 f(w, x) = exp(−2x²/w²)를 사용하며, 이온의 평형 위치에서의 빔 오프셋 d를 고려.
• 시간에 따라 변화하는 슈뢰딩거 방정식의 수치적 해를 구해 라비 스펙트럼을 시뮬레이션하고 실험 데이터에 적합.
• 표면 전극 트랩에 포획된 단일 138Ba+ 이온을 이용한 실험적 검증으로, 트랩 축에 대해 45°로 공진행되는 원형 편광 레이저 빔을 사용.
• 이론 예측과 일치시키기 위해 온도, 빔 지름, 빔 위치를 변화시켜 측정된 라비 스펙트럼을 피팅.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 레이저 빔의 횡방향 강도 기울기가 포획 이온에서 조절 가능한 스핀-운동 상호작용을 유도할 수 있는가?
• RQ2 빔 형상 조절 및 위치 조절을 통해 캐리어 및 운동 사이드밴드 전이의 상대 강도를 독립적으로 제어할 수 있는가?
• RQ3 횡방향 스핀-운동 상호작용이 포획 이온 양자 컴퓨팅에서 게이트 정밀도에 어느 정도 영향을 미치는가?
• RQ4 이미 존재하는 조밀한 집속 레이저 빔을 사용하는 기존 실험에서는 이 효과가 이미 존재하고 잠재적으로 해로운가?

주요 결과

• 공진행 빔 기하구조를 사용하여 단일 138Ba+ 이온에서 횡방향 스핀-운동 상호작용을 실험적으로 관측하였으며, 25 kHz, 80 kHz, 110 kHz에서 명확한 운동 사이드밴드가 관측되었다.
• 이온의 온도를 조절함으로써 효과적 빔 지름과 이온에 대한 상대 위치를 조절함으로써 사이드밴드 강도를 조절할 수 있었으며, 이는 이론 예측과 일치하였다.
• 빔 지름 w = 1.5 µm이고 오차 d ≈1.8 µm일 경우, 제1차 사이드밴드에 대한 효과적 람브-디크 계수는 대상 이온에서 ˜η(1) ≈0.017, 인접 이온에서 ˜η(1) ≈0.030였다.
• 모델은 선형 이온 트랩에서 횡방향 결합이 잔여 얽힘을 유도할 수 있음을 예측하며, 도플러 한계에서 평균 축 방향 진동수 상태 수 ¯n ≈36를 기대한다.
• 이론 분석은 빔 위치와 프로파일을 조절함으로써 캐리어 및 사이드밴드 라비 주파수를 독립적으로 억제할 수 있음을 보여주며, 비공명 오차를 감소시킬 수 있다.
• 이 효과는 이미 기존 실험에서 교차 채널 간섭에 기여하고 있을 수 있으며, 예를 들어 Debnath 등이 보고한 171Yb+ 프로세서에서는 d ≈1.8 µm의 빔 오차로 인해 4%의 교차 채널 간섭이 설명될 수 있다.