[论文解读] Exploring adiabatic quantum dynamics of the Dicke model in a trapped ion quantum simulator

Arghavan Safavi-Naini, Robert J. Lewis-Swan+8 more|arXiv (Cornell University)|Nov 20, 2017

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用 9

一句话总结

本研究通过约70个离子的阱内离子量子模拟器，实现了Dicke模型中相干辐射基态的绝热制备，其中自旋自由度与通过激光驱动的质心声子耦合的运动自由度相互作用。尽管当前实验存在局限性，理论分析表明，通过适度改善退相干控制与参数调谐，对于约20个离子，与目标自旋-玻色猫态的保真度可达75%。

ABSTRACT

We use a self-assembled two-dimensional Coulomb crystal of $\sim 70$ ions in the presence of an external transverse field to engineer a quantum simulator of the Dicke Hamiltonian. This Hamiltonian has spin and bosonic degrees of freedom which are encoded by two hyperfine states in each ion and the center of mass motional mode of the crystal, respectively. The Dicke model features a quantum critical point separating two distinct phases: the superradiant (ferromagnetic) and normal (paramagnetic) phases. We experimentally explore protocols that aim to adiabatically prepare the superradiant ground state, a spin-boson cat state with macroscopic phonon occupation, which is well-suited for enhanced metrology and quantum information processing. We start in the normal phase, with all spins aligned along a large transverse field and ramp down the field across the critical point following various protocols. We measure the spin observables, both experimentally and in our simulations to characterize the state of the system at the end of the ramp. We find that under current operating conditions an optimally designed ramp is not sufficient to achieve significant fidelity with the superradiant ground state. However, our theoretical investigation shows that slight modifications of experimental parameters, together with modest reductions in decoherence rates and thermal noise can increase the cat-state fidelity to $\sim 75\%$ for $N \sim 20$ spins. Our results open a path for the use of large ensembles of trapped ions as powerful quantum sensors and quantum computers.

研究动机与目标

• 探索在阱内离子量子模拟器中，通过绝热态制备Dicke模型的相干辐射基态。
• 研究完整自旋-玻色动力学在绝热演化中的作用，与有效自旋模型相区分。
• 基准测试各种横向场斜坡协议在制备可用于精密测量的纠缠态方面的性能。
• 识别可显著提升与目标猫态保真度的实验参数修改。
• 证明非绝热斜坡仍可生成具有高量子费舍尔信息的态，适用于量子精密测量。

提出的方法

• 在彭宁阱中制备约70个9Be+离子的二维库仑晶体，自旋自由度编码于超精细态，运动自由度编码于质心模式。
• 激光驱动的自旋依赖力诱导声子介导的长程自旋-自旋相互作用，实现具有可调横向场和自旋-声子耦合的Dicke哈密顿量。
• 系统初始化于正常相，通过大横向场绝热地穿过量子相变点，以进入相干辐射相。
• 将实验测得的自旋可观测量（如⟨Sz⟩和P(Mz)）与完整自旋-声子模型的数值模拟结果进行比较，以评估态保真度。
• 理论分析探讨了偏离质心模式共振的影响，并识别出自旋-声子能级结构更接近Lipkin-Meshkov-Goldstone模型的参数区域。
• 提出一种解纠缠协议，以从完整自旋-玻色态中分离出自旋仅猫态，便于在干涉测量协议中应用。

实验结果

研究问题

• RQ1 在包含完整自旋-玻色动力学的阱内离子模拟器中，能否实现Dicke模型相干辐射基态的绝热态制备？
• RQ2 声子自由度在本系统中如何限制绝热态制备的保真度？
• RQ3 不同横向场斜坡协议如何影响最终态的纠缠特性和精密测量实用性？
• RQ4 需要哪些参数修改或实验改进，才能实现与目标自旋-玻色猫态的高保真度制备？
• RQ5 即使与基态保真度较低，非绝热斜坡是否仍可生成具有高量子费舍尔信息的态？

主要发现

• 当前实验条件下，尽管观察到与猫态形成一致的双模自旋分布，但绝热制备相干辐射基态的保真度仍受限于较低水平。
• 理论建模表明，通过适度降低退相干和热噪声，并进行微调参数，对于约20个离子，与真实相干辐射基态的保真度可达50–75%。
• LAA斜坡协议在约1毫秒内生成的每粒子量子费舍尔信息（FQ > 1）高于伊辛哈密顿量在约3毫秒内的表现，表明其在快速纠缠生成方面性能更优。
• 即使与目标态保真度较低，所生成的态仍表现出可用于精密测量的纠缠特性，这一点由高量子费舍尔信息证实。
• 理论分析证实，偏离质心模式可改变能级谱，使其更接近Lipkin-Meshkov-Goldstone模型，从而改善绝热性。
• 提出一种解纠缠程序，可从完整自旋-玻色态中分离出自旋仅猫态，使其有望用于干涉测量量子传感。