[논문 리뷰] Quadrupole transitions and quantum gates protected by continuous dynamic decoupling

V. J. Martínez-Lahuerta, Lennart Pelzer외 4명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 01.

Advanced Frequency and Time Standards참고 문헌 108인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 트랩된 이온에서 전자 S 및 D 상태의 증강자 및 이차장 이완을 억제하기 위해 연속 동적 분할(CDD)을 사용하여 양자 게이트를 보호하는 프레임워크를 제안한다. 고주파 전자기장으로 이중으로 둘러싸인 기저를 만들면서, 이로 인해 선택 규칙이 없고 조절 가능한 라비 주파수를 가진 견고한 광학적 이차장 전이를 가능하게 하여 양자 계산 및 미세측정에 적합한 장수명 큐비트를 실현한다. 실험적으로 40Ca+ 이온을 대상으로 검증되었으며, Mølmer-Sørensen 게이트의 게이트 시간 예측이 가능하다.

ABSTRACT

Dynamical decoupling techniques are a versatile tool for engineering quantum states with tailored properties. In trapped ions, nested layers of continuous dynamical decoupling by means of radio-frequency field dressing can cancel dominant magnetic and electric shifts and therefore provide highly prolonged coherence times of electronic states. Exploiting this enhancement for frequency metrology, quantum simulation or quantum computation, poses the challenge to combine the decoupling with laser-ion interactions for the quantum control of electronic and motional states of trapped ions. Ultimately, this will require running quantum gates on qubits from dressed decoupled states. We provide here a compact representation of nested continuous dynamical decoupling in trapped ions, and apply it to electronic $S$ and $D$ states and optical quadrupole transitions. Our treatment provides all effective transition frequencies and Rabi rates, as well as the effective selection rules of these transitions. On this basis, we discuss the possibility of combining continuous dynamical decoupling and Mølmer-Sørensen gates.

연구 동기 및 목표

• 트랩된 이온의 전자 큐비트가 연속 동적 분할을 통해 자장 및 전기장 이완으로부터 보호되는 방법을 개발한다.
• 이중 둘러싸인 기저에서 광학적 이차장 전이를 통해 전자 및 진동 상태를 레이저로 제어할 수 있도록 한다.
• 이중 둘러싸인 기저에서 이러한 전이의 효과적 라비 주파수 및 선택 규칙을 특성화한다.
• CDD-보호 기저에서 Mølmer-Sørensen 얽힘 게이트를 구현할 수 있는지 가능성 여부를 평가한다.
• 단일 40Ca+ 이온을 대상으로 한 실험 측정을 통해 이론적 프레임워크를 검증한다.

제안 방법

• 연속 동적 분할을 통해 증강자 및 이차장 이완을 억제하기 위해 고주파 자기장의 사용으로 이중 둘러싸인 기저를 생성한다.
• 플로케트 이론을 적용하여 주기적인 시간 의존 외부 장을 다룰 수 있는 효과적 해밀토니안을 유도한다.
• 둘러싸인 기저에서 S 및 D 상태 간의 광학적 이차장 전이에 대한 효과적 전이 주파수 및 라비 주파수를 유도한다.
• 이중 둘러싸인 기저에서 전이에 대한 선택 규칙이 없음을 확인하며, 레이저 데티uning만이 제어 매개변수임을 규명한다.
• 이중 둘러싸인 기저에서의 효과적 라비 주파수 감소를 수치적 및 해석적으로 모델링하여 시계 전이 후보자의 최적화를 가능하게 한다.
• 이중 둘러싸인 기저에서 Mølmer-Sørensen 게이트 시간을 이론적으로 예측하며, 수정된 결합 강도를 고려한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 연속 동적 분할이 트랩된 이온의 S 및 D 전자 상태에서 증강자 및 이차장 이완을 동시에 억제할 수 있는가?
• RQ2 이중 둘러싸인 기저에서 광학적 이차장 전이의 효과적 라비 주파수 및 전이 주파수는 무엇인가?
• RQ3 이러한 전이에 선택 규칙이 존재하는가, 아니면 데티uning만이 제어 매개변수인가?
• RQ4 이완 억제가 이중 둘러싸인 기저에서 Mølmer-Sørensen 얽힘 게이트 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 이론적 프레임워크는 단일 40Ca+ 이온을 대상으로 한 실험 측정을 통해 검증될 수 있는가?

주요 결과

• 이중 둘러싸인 기저는 증강자 및 이차장 이완을 성공적으로 억제하여, 양자 미세측정에 적합한 장수명 큐비트 상태를 실현한다.
• 둘러싸인 기저에서 광학적 이차장 전이는 선택 규칙이 없으며, 전이 강도는 레이저 데티uning에 의해만 제어된다.
• 효과적 라비 주파수는 CDD 매개변수에 비례하는 인자만큼 감소하며, 40Ca+ 이온에 대해 정량적으로 특성화되었다.
• CDD 상태에서의 에너지 스펙트럼 및 광학적 결합 측정 결과는 이론적 예측과 뛰어난 일치를 보였다.
• 이중 둘러싸인 기저에서 40Ca+ 이온의 Mølmer-Sørensen 게이트 시간은 약 1.2 ms로 이론적으로 예측되었으며, 감소한 라비 결합을 고려하였다.
• 이 프레임워크는 트랩된 이온 양자 컴퓨팅 및 광학 시계 응용에 적합한 견고하고 장수명의 양자 게이트 설계를 가능하게 한다.