[논문 리뷰] Ultrafast Coherent Coupling of Atomic Hyperfine and Photon Frequency Qubits

M. J. Madsen, D. L. Moehring외 4명|ArXiv.org|2006. 03. 28.

Quantum Information and Cryptography인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 피코초 레이저 펄스를 사용하여 트랩된 카드뮴 이온의 초미세수준 큐비트와 광자의 주파수 큐비트 사이에서 초고속, 공명 결합을 구현한다. 반대 방향으로 진행되는 펄스를 이용해 이온을 공명적으로 자극하고 탈자극함으로써, 원자 큐비트와 방출된 광자의 주파수 사이의 얽힘을 확인하는 라마르 프리지 대비 복귀 현상을 관측하였다. 이는 원격에 있는 이온 간의 얽힘을 위한 운동에 민감하지 않은 양자 게이트와 초고속 양자 논리 연산을 가능하게 한다.

ABSTRACT

We demonstrate ultrafast coherent coupling between an atomic qubit stored in a single trapped cadmium ion and a photonic qubit represented by two resolved frequencies of a photon. Such ultrafast coupling is crucial for entangling networks of remotely-located trapped ions through photon interference, and is also a key component for realizing ultrafast quantum gates between Coulomb-coupled ions.

연구 동기 및 목표

• 초고속, 공명적인 결합을 통해 원자 초미세수준 큐비트와 광자의 주파수 큐비트 사이의 상호작용을 가능하게 하여 운동에 민감하지 않은 양자 논리 연산을 실현한다.
• 기존의 트랩된 이온 양자 게이트가 요구하는 엄격한 운동 상태 조건을 초고속 펄스를 통해 극복한다.
• 트랩된 이온의 초미세 상태와 자발적으로 방출된 광자의 주파수 사이의 얽힘을 실험적으로 증명한다.
• 라마르 간섭계를 이용하여 기저 상태와 올린 상태의 초미세분열 차이를 고정밀도로 측정한다.
• 운동량 킥과 광자 간섭을 통해 향후 확장 가능한 양자 네트워크와 초고속 양자 게이트를 실현한다.

제안 방법

• 모드 잠금된 Ti: Sapphire 레이저를 사용하여 400 nm에서 100-fs 펄스를 생성하고, 주파수 4배 증폭하여 111Cd+ 이온의 5s 2S1/2 → 5p 2P3/2 전이에 공명하게 한다.
• 단일 초고속 펄스를 적용하여 S1/2 및 P3/2 상태 사이의 라비 진동을 공명적으로 유도하고, 이온의 초미세 상태에 주파수 얽힘을 가진 단일 광자를 자발적으로 방출시킨다.
• 두 번째 반대 방향 초고속 펄스를 사용하여 이온을 공명적으로 탈자극하고, 기저 상태로 인구를 복귀시키며, 2ℏk 운동량 킥을 부여한다.
• 변동 가능한 지연 시간 간격으로 분리된 두 펄스를 사용한 라마르 간섭계를 구현하여 초미세 중첩 상태의 공명 진화를 탐색한다.
• 라마르 프리지 위상의 삼각함수 피팅을 통해 기저 상태와 올린 상태 간의 초미세분열 차이를 추출한다.
• 단일 피팅 매개변수(a)를 가진 광학 블로흐 방정식을 사용하여 펄스 유도 라비 진동과 자발적 방출 효과를 모델링한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초고속 레이저 펄스는 트랩된 이온의 초미세수준 큐비트와 자발적으로 방출된 광자의 주파수 사이의 공명 결합을 가능하게 하는가?
• RQ2 라마르 프리지 대비가 초고속 펄스 간의 시간 지연에 따라 어떻게 변화하는가? 이는 공명 진화와 얽힘을 나타내는가?
• RQ3 초고속 펄스와 라마르 간섭계를 이용하여 기저 상태와 올린 상태의 초미세분열 차이를 고정밀도로 측정할 수 있는가?
• RQ4 반대 방향으로 진행되는 펄스 쌍은 큐비트 상태에 관계없이 운동량 킥을 유도하는가? 이는 운동에 민감하지 않은 양자 게이트를 가능하게 하는가?
• RQ5 이 방법은 라임-딕 캐리지 영역에 있지 않은 원격에 있는 이온 간의 확률적 양자 게이트를 가능하게 하는가?

주요 결과

• 라마르 프리지 대비가 약 680 ps의 주기로 사라지고 복귀하는 것으로 관측되어 원자 초미세수준 큐비트와 방출된 광자의 주파수 사이의 공명 결합을 확인한다.
• 기저 상태와 올린 상태 간의 초미세분열 차이를 측정한 결과 ΔωHF = 13.904 ± 0.004 GHz이며, 이로 인해 올린 상태의 초미세분열은 626 ± 4 MHz로 도출된다.
• 라마르 프리지의 위상은 펄스 지연에 따라 선형적으로 변화하며 기울기는 13.904 GHz로, 레이저 에너지나 이온 위치 변동과 무관한 고정밀도 주파수 측정을 보여준다.
• 단일 초고속 펄스로 S1/2에서 P3/2 전이를 유도할 확률가 거의 1에 가까워, 고정밀 초기화 및 상태 검출이 가능하다.
• 반대 방향 펄스 쌍은 큐비트 상태에 관계없이 이온에 2ℏk 운동량 킥을 부여하여 전역 위상 이동과 운동에 민감하지 않은 양자 게이트를 가능하게 한다.
• 단일 피팅 매개변수(a)를 가진 광학 블로흐 방정식 모델이 관측된 라비 진동과 대비 복귀 현상을 정확히 재현하여 이론적 프레임워크의 타당성을 입증한다.