[論文レビュー] Ultrafast Coherent Coupling of Atomic Hyperfine and Photon Frequency Qubits

M. J. Madsen, D. L. Moehring+4 more|ArXiv.org|Mar 28, 2006

Quantum Information and Cryptography被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、ピコ秒レーザーパルスを用いて、捕獲されたカドミウムイオンのハイパーフィン境界キュービットと光子の周波数キュービットとの間で、超高速かつコherentな結合を実証した。反対方向に進行するパルスを用いてイオンをコherentに励起および非励起することで、原子キュービットと放出光子の周波数との間のエンタングルメントを確認するラマースフィンガーリズムの復活を観測した。これにより、運動状態に依存しない量子ゲートが実現可能となり、遠く離れたイオン間のエンタングルメントと超高速量子論理が可能になる。

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.

研究の動機と目的

• 超高速かつコherentな結合を、原子ハイパーフィンキュービットと光子周波数キュービットとの間で実現し、運動状態に依存しない量子論理を可能にする方法を開発すること。
• 従来の捕獲イオン量子ゲートが要求する厳しい運動状態の制約を、超高速パルスを用いることで克服すること。
• 捕獲イオンのハイパーフィン状態と、自然放出された光子の周波数との間のエンタングルメントを実証すること。
• ラマース干渉計を用いて、基底状態と励起状態のハイパーフィン分裂差を高精度で測定すること。
• 運動量キックと光子干渉を用いて、将来のスケーラブルな量子ネットワークと超高速量子ゲートを実現すること。

提案手法

• 100-fsパルスを400 nmで発生させるモードロックTi:サファイアレーザーを用い、周波数4倍して111Cd+イオンの5s 2S1/2〜5p 2P3/2遷移に共鳴励起する。
• 単一の超高速パルスを用いて、S1/2とP3/2状態間のRabi振動をコherentに駆動し、イオンのハイパーフィン状態にエンタングルされた周波数を持つ単一光子を自然放出させる。
• 2番目の反対方向に進行する超高速パルスを用いて、イオンをコherentに非励起し、基底状態に戻すとともに、2ℏkの運動量キックを付与する。
• 2つのパルスを可変遅延で分離して配置したラマース干渉計を用い、ハイパーフィンスーパーポジション状態のコherentな時間発展を調べる。
• ラマースフィンガーフェーズの正弦曲線フィッティングを用いて、基底状態と励起状態のハイパーフィン分裂差を抽出する。
• パルス誘起Rabi振動および自然放出効果を記述するための1つのフィットパラメータ（a）を有する、光学ブロッホ方程式を用いてシステムをモデル化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超高速レーザーパルスは、捕獲イオンのハイパーフィンキュービットと、自然放出された光子の周波数との間でコherent結合を可能にするか？
• RQ2 ラマースフィンガーリズムのコントラストが、超高速パルス間の時間遅延にどのように依存するか。これにより、コherentな時間発展とエンタングルメントの存在が示唆されるか？
• RQ3 超高速パルスとラマース干渉計を用いて、基底状態と励起状態のハイパーフィン分裂差を高精度で測定できるか？
• RQ4 反対方向に進行するパルスペアは、キュービット状態に依存しない運動量キックをイオンに与えるか。これにより、運動状態に依存しない量子ゲートが可能になるか？
• RQ5 この方式により、ラム・ディック状態にないイオン同士の確率的量子ゲートを実現できるか？

主な発見

• ラマースフィンガーリズムのコントラストは約680 psの周期で消失と復活を繰り返し、原子ハイパーフィンキュービットと放出光子の周波数との間のコherent結合を確認する。
• 測定された基底状態と励起状態のハイパーフィン分裂差はΔωHF = 13.904 ± 0.004 GHzであり、励起状態のハイパーフィン分裂は626 ± 4 MHzである。
• ラマースフィンガーフェーズはパルス遅延に対して線形に変化し、勾配が13.904 GHzである。これは、レーザーのエネルギーまたはイオンの位置のゆらぎに依存しない高精度な周波数測定を示している。
• 単一の超高速パルスにより、S1/2からP3/2遷移をほぼ100％の確率で駆動でき、高精度な初期化と状態測定が可能である。
• 反対方向に進行するパルスペアは、キュービット状態に依存しない2ℏkの運動量キックをイオンに与え、グローバル位相シフトと運動状態に依存しない量子ゲートを可能にする。
• 1つのフィットパラメータ（a）を有する光学ブロッホ方程式モデルは、観測されたRabi振動とコントラストの復活を正確に再現しており、理論的枠組みの妥当性が裏付けられた。