[论文解读] Experimental demonstration of quantum state tomography applied to dopant ions in a solid

Jevon J. Longdell, Matthew J. Sellars|arXiv (Cornell University)|Aug 29, 2002

Quantum optics and atomic interactions被引用 4

一句话总结

该论文通过光学脉冲操控和测量基于光学跃迁的量子比特，在Y₂SiO₅晶体中掺杂的Eu³⁺离子集合体上实现了量子态层析。在量子态制备与测量的保真度超过90%的情况下，观测到偶极-偶极相互作用，为该固态系统中的多量子比特量子计算奠定了基础。

ABSTRACT

We report on the implementation of quantum state tomography for an ensemble of Eu$^{3+}$ dopant ions in a Y$_2$SiO$_5$ crystal. The tomography was applied to a qubit based on one of the ion's optical transitions. The qubit was manipulated using optical pulses and measurements were made by observing the optical free induction in a phase sensitive manner. Fidelities of $>90$% for the combined preparation and measurement process were achieved. Interactions between the ions due to the change in the ions' permanent electric dipole moment when excited optically were also measured. In light of these results, the ability to do multi-qubit quantum computation using this system is discussed.

研究动机与目标

• 在Y₂SiO₅晶体中掺杂的Eu³⁺离子集合体上实现基于固态量子比特的量子态层析。
• 通过相位敏感光学探测实现高保真度的量子比特态制备与测量。
• 通过光学激发诱导的偶极矩变化，表征离子之间的偶极-偶极相互作用。
• 评估该稀土掺杂晶体系统在实现可扩展多量子比特量子计算方面的可行性。

提出的方法

• 通过光学脉冲对Eu³⁺离子集合体进行相干操控，实现量子态层析。
• 通过相位敏感检测光学自由感应衰减信号完成测量。
• 将量子比特编码在Eu³⁺离子的特定光学跃迁上，利用定制激光脉冲实现相干控制。
• 通过观测光学激发后偶极矩的变化，探测离子间的相互作用。
• 采用标准量子过程层析协议量化了态制备与测量过程的保真度。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在稀土掺杂离子的固态集合体上成功实现量子态层析？
• RQ2 该系统中态制备与测量的保真度如何？
• RQ3 光学激发离子之间的偶极-偶极相互作用如何影响量子比特的相干性与控制？
• RQ4 该系统在多量子比特可扩展量子计算方面具备多大潜力？

主要发现

• 态制备与测量过程的综合保真度超过90%。
• 相位敏感检测光学自由感应衰减信号实现了高保真度的量子比特态读出。
• 由于光学激发导致永久电偶极矩发生变化，实验观测到了Eu³⁺离子之间的偶极-偶极相互作用。
• 测得的相互作用表明该系统中存在实现量子比特间可控相互作用的潜力。
• 结果支持利用Y₂SiO₅中光学控制的Eu³⁺离子实现多量子比特量子计算的可能性。