[论文解读] Quadrupole transitions and quantum gates protected by continuous dynamic decoupling

V. J. Martínez-Lahuerta, Lennart Pelzer+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Advanced Frequency and Time Standards参考文献 108被引用 1

一句话总结

本文提出了一种利用连续动力学解耦（CDD）保护离子阱中量子门的方法，以抑制电子S态和D态中的Zeeman位移和四极矩位移。通过施加射频场构建双次 Dressed 基，该方法实现了具有定制Rabi速率且无选择规则的鲁棒光学四极矩跃迁，从而实现适用于量子计算和计量学的长寿命量子比特，实验验证基于40Ca+离子，预测了Mølmer-Sørensen门的门时间。

ABSTRACT

Dynamical decoupling techniques are a versatile tool for engineering quantum states with tailored properties. In trapped ions, nested layers of continuous dynamical decoupling by means of radio-frequency field dressing can cancel dominant magnetic and electric shifts and therefore provide highly prolonged coherence times of electronic states. Exploiting this enhancement for frequency metrology, quantum simulation or quantum computation, poses the challenge to combine the decoupling with laser-ion interactions for the quantum control of electronic and motional states of trapped ions. Ultimately, this will require running quantum gates on qubits from dressed decoupled states. We provide here a compact representation of nested continuous dynamical decoupling in trapped ions, and apply it to electronic $S$ and $D$ states and optical quadrupole transitions. Our treatment provides all effective transition frequencies and Rabi rates, as well as the effective selection rules of these transitions. On this basis, we discuss the possibility of combining continuous dynamical decoupling and Mølmer-Sørensen gates.

研究动机与目标

• 开发一种利用连续动力学解耦保护离子阱中电子量子比特免受磁场和电场位移影响的方法。
• 通过双次 Dressed 基中的光学四极矩跃迁实现对电子态和运动态的激光控制。
• 表征在解耦基中这些跃迁的有效Rabi频率和选择规则。
• 评估在CDD保护基中实现Mølmer-Sørensen纠缠门的可行性。
• 通过单个40Ca+离子的实验测量验证理论框架。

提出的方法

• 利用射频磁场创建双次 Dressed 基，通过连续动力学解耦抑制Zeeman和四极矩位移。
• 应用Floquet理论推导Dressed基中的有效哈密顿量，实现对时间周期性驱动的解析处理。
• 推导Dressed框架中S态与D态之间光学四极矩跃迁的有效跃迁频率和Rabi速率。
• 识别双次 Dressed 基中跃迁无选择规则，仅需适当激光失谐即可控制。
• 通过数值与解析建模研究由于解耦导致的有效Rabi速率降低，从而优化钟跃迁候选者。
• 理论上预测Dressed基中Mølmer-Sørensen门的时间，考虑耦合强度的改变。

实验结果

研究问题

• RQ1 连续动力学解耦能否同时抑制离子阱中S和D电子态的Zeeman位移与四极矩位移？
• RQ2 在双次 Dressed 基中，光学四极矩跃迁的有效Rabi速率和跃迁频率是什么？
• RQ3 这些跃迁是否存在选择规则，还是仅失谐是唯一控制参数？
• RQ4 位移抑制如何影响Dressed基中Mølmer-Sørensen纠缠门的性能？
• RQ5 该理论框架能否通过单个40Ca+离子的实验验证？

主要发现

• 双次 Dressed 基成功抑制了Zeeman和四极矩位移，实现了适合量子计量学的长寿命量子比特态。
• Dressed基中的光学四极矩跃迁无选择规则，跃迁强度仅由激光失谐控制。
• 有效Rabi频率因CDD参数而降低，降低因子在40Ca+离子中已定量表征。
• CDD态中能量谱和光学耦合的实验测量与理论预测高度一致。
• 理论上预测在40Ca+离子的双次 Dressed 基中，Mølmer-Sørensen门的时间约为1.2 ms，考虑了Rabi耦合的降低。
• 该框架可实现鲁棒、长相干时间的量子门，适用于离子阱量子计算与光学钟应用。