[论文解读] Realization of two-dimensional crystal of ions in a monolithic Paul trap

Ye Wang, Mu Qiao+10 more|arXiv (Cornell University)|Dec 9, 2019

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 63被引用 16

一句话总结

本文提出了一种在单个金镀膜激光加工氧化铝基板上制造的单体保罗阱，可稳定地将数十个 171Yb+ 离子束缚在二维（2D）晶格中。通过设计阱电极几何结构，使微运动方向垂直于拉曼激光束传播方向，作者实现了对离子量子比特的相干控制，并展示了较强的自旋-自旋耦合强度，从而实现了微运动效应最小化的可扩展二维量子模拟。

ABSTRACT

We present a simple Paul trap that stably accommodates up to a couple of dozens of \ensuremath{^{171}\mathrm{Yb}^+~} ions in a stationary two-dimensional lattice. The trap is constructed on a single plate of gold-plated laser-machined alumina and can produce a pancake-like pseudo-potential that makes ions form a self-assembly two-dimensional crystal which locates on the plane composed of axial and one of the transverse axes with around 5 $\mu$m spacing. We use Raman laser beams to coherently manipulate these ion-qubits where the net propagation direction is perpendicular to the plane of the crystal and micromotion. We perform the coherent operations and study the spectrum of vibrational modes through globally addressed Raman laser-beams on a dozen of ions in the two-dimensional crystal. We measure the amplitude of micro-motion by comparing the strengths of carrier and micro-motion sideband transitions with three ions, where the micro-motion amplitude is similar to that of a single ion. The spacings of ions are small enough for large coupling strengths, which is a favorable condition for two-dimensional quantum simulation.

研究动机与目标

• 开发一种适用于量子模拟与量子计算的可扩展、紧凑的二维离子晶体平台。
• 解决保罗阱中微运动的问题，该问题在二维构型下会干扰相干激光操作。
• 通过将微运动轴与用于相干操作的拉曼激光束传播方向垂直对齐，以最小化相位调制并实现高保真度的量子比特操作。
• 在包含数十个离子的二维离子晶体中实现相干操作并测量振动模式谱。
• 通过保持离子间距较小，实现较大的有效自旋-自旋耦合强度，有利于二维多体物理的模拟。

提出的方法

• 在单块氧化铝板上通过激光加工制造出具有三层结构的单体保罗阱，并沉积金电极，从而精确控制伪势势场。
• 阱设计包含45°角的射频电极和排列成碗状伪势的直流电极，使离子在x轴和z轴方向被限制在二维平面内。
• 通过将微运动轴与用于相干操作的拉曼激光束的净传播方向垂直对齐，最小化微运动。
• 使用波长为355 nm的拉曼激光束，通过双光子跃迁实现对量子比特的相干操控，激光传播方向垂直于离子晶体平面。
• 通过电子倍增CCD（EMCCD）相机成像离子晶体，并利用全局照射的拉曼光束探测振动模式。
• 通过比较三离子晶体中载波与边带跃迁强度来量化微运动幅度，结果表明微运动水平与单离子系统相当。

实验结果

研究问题

• RQ1 单体保罗阱是否能以最小的微运动效应稳定束缚二维 171Yb+ 离子晶体？
• RQ2 通过将拉曼激光束传播方向与微运动轴垂直对齐，是否可在二维离子晶体中实现量子比特的相干控制？
• RQ3 二维离子晶体中的有效自旋-自旋耦合强度是多少？与线性离子链相比如何？
• RQ4 随着射频和直流电压的变化，离子晶体结构如何演变？发生了哪些相变？
• RQ5 能否测量二维离子晶体中的微运动幅度，并证明其与单离子系统的微运动幅度相当？

主要发现

• 该阱成功形成稳定二维离子晶体，最多可束缚数十个 171Yb+ 离子，被限制在由轴向（x）和一个径向（z）方向定义的平面内，离子间距约为5 µm。
• 测量显示，二维晶体中的微运动幅度与单离子系统相当，证实了微运动效应的有效抑制。
• 在二维晶体中的十余个离子上成功实现了相干拉曼操作，振动模式谱通过全局照射的光束测量得到。
• 二维晶体中的有效自旋-自旋耦合强度与当前线性离子阱中的强度相当，表明其适用于二维量子模拟。
• 当轴向频率超过阈值时，观察到从二维到三维晶体结构的相变，表现为z轴尺寸塌缩和晶体尺寸突然跃迁。
• 该阱设计提供了优异的光学可及性与稳定运行性能，晶体尺寸与结构可通过调节射频和直流电压进行调控。