[论文解读] Sympathetic cooling of $^9Be^+$ and $^{24}Mg^+$ for quantum logic

M. D. Barrett, Brian DeMarco+10 more|CERN Bulletin|Jul 11, 2003

Quantum Information and Cryptography参考文献 1被引用 9

一句话总结

本论文展示了在直线Paul阱中，利用$^9\mathrm{Be}^+$的激光冷却，通过库仑相互作用实现对由一个$^9\mathrm{Be}^+$和一个$^{24}\mathrm{Mg}^+$离子组成的双离子晶体的协同冷却，从而冷却两个离子的运动模式。由于两者的冷却跃迁之间存在33 nm的巨大波长分离，可选择性地冷却$^9\mathrm{Be}^+$而不影响$^{24}\mathrm{Mg}^+$，从而在不破坏$^{24}\mathrm{Mg}^+$中存储的量子比特态的前提下，实现离子阱量子计算机中运动模式的基态重初始化。

ABSTRACT

We demonstrate the cooling of a two species ion crystal consisting of one $^9Be^+$ and one $^{24}Mg^+$ ion. Since the respective cooling transitions of these two species are separated by more than 30 nm, laser manipulation of one ion has negligible effect on the other even when the ions are not individually addressed. As such this is a useful system for re-initializing the motional state in an ion trap quantum computer without affecting the qubit information. Additionally, we have found that the mass difference between ions enables a novel method for detecting and subsequently eliminating the effects of radio frequency (RF) micro-motion.

研究动机与目标

• 在不破坏量子比特相干性的情况下，实现离子阱量子计算机中运动模式的基态冷却。
• 展示一种双组分离子系统，其中一种离子（$^9\mathrm{Be}^+$）通过激光冷却，而另一种（$^{24}\mathrm{Mg}^+$）作为量子比特，最大限度减少串扰。
• 利用$^9\mathrm{Be}^+$与$^{24}\mathrm{Mg}^+$冷却跃迁之间约33 nm的频率分离，避免激光操控过程中不希望的耦合。
• 开发一种利用离子质量差异检测并消除射频微运动效应的方法。

提出的方法

• 通过D3光束进行多普勒冷却，利用拉曼光束进行侧带冷却，使用$\sigma^{-}$和$\pi$偏振态驱动跃迁，实现对$^9\mathrm{Be}^+$的激光冷却。
• 离子被限制在直线Paul阱中，轴向阱频分别为2.05 MHz（质心模式）和4.3 MHz（拉伸模式），17 G的磁场确立了量子化轴。
• 通过离子之间的库仑相互作用实现协同冷却，将两个离子的运动模式能量传递至激光冷却的$^9\mathrm{Be}^+$离子。
• 理论建模采用正则模式坐标和绝热消去法，推导出系统基态密度矩阵的有效主方程，从而简化系统的动力学行为。
• 从拉比频率和失谐量推导出有效哈密顿量和阻尼率，使在真实条件下模拟冷却动力学成为可能。
• 利用$^9\mathrm{Be}^+$与$^{24}\mathrm{Mg}^+$之间的质量差异，检测并抑制射频微运动效应，从而实现对离子运动响应的区分。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否将$^9\mathrm{Be}^+$用作冷却离子，对$^{24}\mathrm{Mg}^+$实现协同冷却，同时不破坏其量子比特态？
• RQ2 冷却跃迁之间33 nm的波长分离是否允许选择性冷却$^9\mathrm{Be}^+$，而不与$^{24}\mathrm{Mg}^+$的内部态发生耦合？
• RQ3 在不单独操控离子的情况下，能否通过该方案实现双离子晶体中运动基态的制备？
• RQ4 能否利用离子之间的质量差异检测并消除射频微运动效应？
• RQ5 绝热消去过程如何简化冷却动力学的主方程？

主要发现

• 成功利用$^9\mathrm{Be}^+$的协同冷却，将由$^9\mathrm{Be}^+$和$^{24}\mathrm{Mg}^+$组成的双离子晶体冷却至运动基态。
• 由于$^9\mathrm{Be}^+$的冷却跃迁与$^{24}\mathrm{Mg}^+$之间存在33 nm的波长分离，显著降低了串扰，实现了对$^9\mathrm{Be}^+$的选择性激光冷却。
• 该系统在无需单独操控离子的条件下实现了高保真度的基态冷却，同时保持了量子比特相干性。
• 质量差异使得射频微运动效应得以检测并抑制，提升了实验控制精度。
• 基于绝热消去和有效主方程的理论建模准确描述了冷却动力学，并与实验观测结果高度吻合。
• 该方法为大规模离子阱量子计算机中运动模式的重初始化提供了可扩展的解决方案。