[論文レビュー] Towards Rydberg quantum logic with trapped ions

P. Bachor, Thomas Feldker+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 16, 2016

Quantum Information and Cryptography参考文献 29被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、123 nmの真空中紫外線（VUV）パルスを用いて、線形クーロン結晶に閉じ込められた個々の 40Ca+ 無性イオンを、最初に精密に焦点を合わせた729 nmレーザーを用いて準備した3D5/2準安定量子ビット状態から、Rydberg状態22Fに一貫性を持ったアドレス指定された励起を実現した。主な結果として、イオンの移動と個別イオンアドレス指定を組み合わせることで、アドレス指定されたイオンと非アドレス指定のイオンとの間で約3:1のRydberg励起比を達成した。これは、捕獲イオンにおけるRydberg量子論理の基盤を確立する上で極めて重要な成果である。

ABSTRACT

We demonstrate the excitation of ions to the Rydberg state $22F$ by vacuum ultraviolet radiation at a wavelength of $123\, ext{nm}$ combined with the coherent manipulation of the optical qubit transition in $^{40} ext{Ca}^+$. With a tightly focused beam at $729\, ext{nm}$ wavelength we coherently excite a single ion from a linear string into the metastable $3D_{5/2}$ state before a VUV pulse excites it to the Rydberg state. In combination with ion shuttling in the trap, we extend this approach to the addressed excitation of multiple ions. The coherent initialization as well as the addressed Rydberg excitation are key prerequisites for more complex applications of Rydberg ions in quantum simulation or quantum information processing.

研究の動機と目的

• 40Ca+における光学的量子ビットのコherentな操作とRydberg状態への励起を統合し、スケーラブルな量子情報処理を実現すること。
• 焦点を合わせた729 nmレーザーを用いて、線形イオン結晶内での個別イオンアドレス指定による量子ビット状態の準備を達成すること。
• 123 nm VUV放射を効果的に供給および集光し、捕獲イオン結晶内での個々のイオンのRydberg状態への励起を実現すること。
• 量子ビット制御とRydberg励起を組み合わせることの可能性を実証し、将来的な量子シミュレーションおよびゲート操作に資すること。
• 将来的な長寿命のnp状態（n≈50）への励起を可能にし、Rydberg相互作用とゲートの忠実度を向上させること。

提案手法

• 金被膜を施したセラミックブレードを有するセグメント化された線形パウルトラップと、6.5–20 MHzのRF励振を用いて、40Ca+イオンを線形結晶として閉じ込める。
• 729 nmレーザー光ビームを精密に焦点合わせることで、Rabi振動を介して個々のイオンの3D5/2準安定量子ビット状態をコherentにアドレス指定し、準備する。
• 123.256119(5) nmのVUV光源が、Rydberg励起のための狭帯域連続波放射を生成する。
• セグメント化されたトラップ電極への電圧ラムプ（±280 mV、500 μs）を用いたイオンの移動により、イオン鎖を移動させ、特定のイオンを729 nmビームと一致させ、選択的アドレス指定を実現する。
• Rydberg励起は、全角運動量jではなく磁気量子数mの変化をモニタリングすることで検出され、検出効率が向上する。
• バックグラウンド補正とキャリブレーションにより、VUVパルスのタイミングと検出時間の重複に起因する非アドレス指定イオンへの残留励起を補正する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 線形40Ca+結晶内の個々のイオンは、焦点を合わせた729 nmレーザー光ビームを用いて、3D5/2量子ビット状態にコherentに準備可能か？
• RQ2 123 nmのVUV放射は、捕獲イオン結晶に効果的に供給可能であり、22F Rydberg状態への励起に適しているか？
• RQ3 イオンの移動とビーム集光を組み合わせることで、アドレス指定されたイオンと非アドレス指定のイオンとの間で、高いコントラストを持つアドレス指定Rydberg励起が可能か？
• RQ4 複数イオンからなる鎖において、量子ビット準備とVUV励起を統合した場合の、個別イオンアドレス指定とRydberg励起の忠実度はどの程度か？
• RQ5 残留バックグラウンド励起は測定忠実度にどのように影響を及ぼし、それを軽減できるか？

主な発見

• 729 nmレーザーは、アドレス指定された中央イオンにおいて80 kHzのRabi周波数を示し、4S1/2 ↔ 3D5/2遷移のRabi振動を達成したが、非アドレス指定イオンはほとんど励起されなかった。
• バックグラウンド補正後、アドレス指定されたイオンと非アドレス指定のイオンとの間でRydberg励起比が約3:1となった。これは、効果的なアドレス指定を示している。
• 非アドレス指定イオンには一定の8%のバックグラウンド信号が観測された。これは、VUVパルスのタイミングと検出時間の重複、および検出中の残留励起に起因するとされた。
• トラップ電極への±280 mVの電圧ラムプを用いたイオンの移動により、500 μsで14 μmのイオン鎖の移動が実現されたが、Rabi振動のコントラスト劣化や不要な励起の増加は観測されなかった。
• 3イオン鎖の両端イオンの励起において、Rydberg励起比が約2.8:1となった。これは、アドレス指定方式のスケーラビリティを確認するものである。
• 磁気量子数mを介した検出法により、全角運動量jを用いた場合と比較して、検出効率が向上した。