[論文レビュー] Freely configurable quantum simulator based on a two-dimensional array of individually trapped ions

Manuel Mielenz, Henning Kalis+8 more|arXiv (Cornell University)|Dec 11, 2015

Quantum Information and Cryptography参考文献 44被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、個々に捕獲されたイオンのスケーラブルな二次元配列を、自由に設定可能な量子シミュレータとして提示している。電子的および運動的自由度に対する正確な制御を可能にする。表面電極トラップを用い、個々にアドレス可能な制御ポテンシャルを実現することで、著者らは基底状態の準備、モード周波数の調整、イオン間のコherent結合を実証し、カスタマイズ可能な2次元格子アーキテクチャにおける量子ダイナミクスの完全な制御を達成した。

ABSTRACT

A custom-built and precisely controlled quantum system may offer access to a fundamental understanding of another, less accessible system of interest. A universal quantum computer is currently out of reach, but an analog quantum simulator that makes the relevant observables, interactions, and states of a quantum model accessible could permit experimental insight into complex quantum dynamics that are intractable on conventional computers. Several platforms have been suggested and proof-of-principle experiments have been conducted. Here we characterise two-dimensional arrays of three ions trapped by radio-frequency fields in individually controlled harmonic wells forming equilateral triangles with side lengths 40 and 80 micrometer. In our approach, which is scalable to arbitrary two dimensional lattices, we demonstrate individual control of the electronic and motional degrees of freedom, preparation of a fiducial initial state with ion motion close to the ground state, as well as tuning of crucial couplings between ions within experimental sequences. Our work paves the way towards an analog quantum simulator of two-dimensional systems designed at will.

研究の動機と目的

• 2次元配列の個別捕獲イオンに基づくスケーラブルで完全に設定可能な量子シミュレータの開発を目的とする。
• 2次元イオン格子において、電子的および運動的自由度を個別に制御することを目的とする。
• イオンの運動を量子基底状態に近い状態に高精度で初期化することを目的とする。
• 設計された制御ポテンシャルを用いて、イオン間のスピン-スピンおよび運動的結合をチューニングすることを目的とする。
• 任意の2次元幾何形状における複雑な量子多体系のアナログ量子シミュレーションへの道筋を築くことを目的とする。

提案手法

• 表面電極トラップを用いて、2次元の正三角形格子上に配置されたイオンの個別制御可能な調和ポテンシャル井戸を生成する。
• ラジオ周波数（RF）ポテンシャルを用いて、40 μmおよび80 μmのイオン間隔でイオンを捕獲し、捕獲の曲率を正確に制御する。
• 時間依存の制御ポテンシャル（例：$\hat{\kappa}_{\rm{rot}}$）を適用して、$xy$-平面内の正規モードを回転させ、モード周波数を調整する。
• ドーピラー冷却および解像されたサイドバンド冷却を用いて、初期状態を$\bar{n}_j \lesssim 0.3$個のフォノンに準備する。
• 変動する周波数$\omega_{\rm{exc}}$を持つ共鳴励起パルスを用いて、モード周波数および加熱率を測定する。
• 線形化されたポテンシャルモデルを用いてモードの回転をモデル化する：$[\partial_k\partial_l]\phi_{\rm{fin}} = [\partial_k\partial_l]\phi_{\rm{ini}} + U_{\rm{rot}}[\partial_k\partial_l]\kappa_{\rm{rot}}$。曲率テンソルはキャリブレーションから導出される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 捕獲されたイオンの2次元配列において、電子的および運動的自由度を個別に制御することは可能か？
• RQ2 2次元イオン格子において、設計された制御ポテンシャルを用いて、モード周波数および結合をどの程度チューニングできるか？
• RQ3 2次元配置において、加熱を最小限に抑えて、イオンの運動を基底状態に近い状態に準備できるか？
• RQ4 余分な磁場および局所的曲率は、マルチサイトイオントラップにおけるモード制御および安定性にどのような影響を与えるか？
• RQ5 本システムは、量子ダイナミクスを完全に制御できる任意の2次元格子にスケーリング可能か？

主な発見

• 冷却後に平均フォノン数$\bar{n}_j \lesssim 0.3$の状態で、イオン運動の基底状態準備が達成された。
• 1時間にわたるモード周波数の安定性が測定され、3つのモードについてそれぞれ$-1.50(5)$、$-1.07(2)$、$-1.05(8)$ Hz s⁻¹の線形ドリフトが観測された。
• 複数回の冷却パルス後にサイドバンド比分析を用いて加熱率を測定し、デ coherent 損失の限界を評価した。
• 制御ポテンシャル$\hat{\kappa}_{\rm{rot}}$により、$xy$-平面内での正規モードの回転が可能となり、モデル予測角度と実験データが一致した。
• 点$\mathbf{T0}$における曲率テンソルは、$[\partial_k\partial_l]\hat{\kappa}_{\rm{rot}}(\mathbf{r})|_{\mathbf{r}=\mathbf{T0}} = \begin{pmatrix} -1.60 & 1.75 & 0 \\ 1.75 & 0.84 & 0 \\ 0 & 0 & 0.76 \end{pmatrix} \times 10^7 \, \rm{m^{-2}}$として測定され、正確なモード設計が可能となった。
• 本システムは、モードの向き、周波数、結合といったすべての関連パラメータを完全に制御でき、2次元における任意の量子シミュレーションが可能であることを示した。