[论文解读] Freely configurable quantum simulator based on a two-dimensional array of individually trapped ions

Manuel Mielenz, Henning Kalis+8 more|arXiv (Cornell University)|Dec 11, 2015

Quantum Information and Cryptography参考文献 44被引用 5

一句话总结

本文提出了一种可扩展的二维离子阵列，作为自由可配置的量子模拟器，实现了对电子态和运动自由度的精确控制。通过使用具有独立可寻址控制势的表面电极阱，作者展示了基态制备、模态频率调节以及离子之间的相干耦合，实现了在可定制的二维晶格架构中对量子动力学的全面控制。

ABSTRACT

A custom-built and precisely controlled quantum system may offer access to a fundamental understanding of another, less accessible system of interest. A universal quantum computer is currently out of reach, but an analog quantum simulator that makes the relevant observables, interactions, and states of a quantum model accessible could permit experimental insight into complex quantum dynamics that are intractable on conventional computers. Several platforms have been suggested and proof-of-principle experiments have been conducted. Here we characterise two-dimensional arrays of three ions trapped by radio-frequency fields in individually controlled harmonic wells forming equilateral triangles with side lengths 40 and 80 micrometer. In our approach, which is scalable to arbitrary two dimensional lattices, we demonstrate individual control of the electronic and motional degrees of freedom, preparation of a fiducial initial state with ion motion close to the ground state, as well as tuning of crucial couplings between ions within experimental sequences. Our work paves the way towards an analog quantum simulator of two-dimensional systems designed at will.

研究动机与目标

• 开发基于二维独立捕获离子阵列的可扩展、完全可配置的量子模拟器。
• 在二维离子晶格中实现对电子和运动自由度的独立控制。
• 实现离子运动在接近量子基态的高保真度初始化。
• 通过设计的控制势，实现离子之间可调的自旋-自旋耦合和运动耦合。
• 为在任意二维几何结构中模拟复杂量子多体系统铺平道路。

提出的方法

• 利用表面电极阱在二维三角晶格中创建对离子独立控制的谐振势阱。
• 采用射频（RF）势阱在40 μm和80 μm的离子间距下捕获离子，并精确控制势阱的曲率。
• 应用时变控制势（例如，$\hat{\kappa}_{\rm{rot}}$）在$xy$-平面内旋转模态，并调节模态频率。
• 使用多普勒冷却和分辨边带冷却，将初始态制备为$\bar{n}_j \lesssim 0.3$个声子。
• 通过在可变频率$\omega_{\rm{exc}}$下施加共振激发脉冲，测量模态频率和加热速率。
• 使用线性化势能模型对模态旋转进行建模：$[\partial_k\partial_l]\phi_{\rm{fin}} = [\partial_k\partial_l]\phi_{\rm{ini}} + U_{\rm{rot}}[\partial_k\partial_l]\kappa_{\rm{rot}}$，曲率张量通过标定获得。

实验结果

研究问题

• RQ1 在捕获离子的二维阵列中，能否实现对电子和运动自由度的独立控制？
• RQ2 通过设计的控制势，在二维离子晶格中，模态频率和耦合程度能在多大程度上被调节？
• RQ3 在二维配置中，能否将离子运动制备在接近基态且加热最小的状态？
• RQ4 杂散场和局部曲率在多站点离子阱中如何影响模态控制和稳定性？
• RQ5 该系统能否扩展至任意二维晶格，并对量子动力学实现完全控制？

主要发现

• 系统在冷却后实现了离子运动的基态制备，平均声子数$\bar{n}_j \lesssim 0.3$。
• 模态频率在1小时内保持稳定，三种模态的线性漂移分别为$-1.50(5)$、$-1.07(2)$和$-1.05(8)$ Hz s⁻¹。
• 通过多次冷却脉冲后的边带比分析测量了加热速率，从而评估退相干极限。
• 控制势如$\hat{\kappa}_{\rm{rot}}$实现了$xy$-平面内模态的旋转，模型预测角度与实验数据一致。
• 在$\mathbf{T0}$点测得的曲率张量为$[\partial_k\partial_l]\hat{\kappa}_{\rm{rot}}(\mathbf{r})|_{\mathbf{r}=\mathbf{T0}} = \begin{pmatrix} -1.60 & 1.75 & 0 \\ 1.75 & 0.84 & 0 \\ 0 & 0 & 0.76 \end{pmatrix} \times 10^7 \, \rm{m^{-2}}$，实现了精确的模态工程。
• 该系统展示了对所有相关参数（包括模态方向、频率和耦合）的完全控制，实现了在二维空间中的任意量子模拟。