[论文解读] Towards Rydberg quantum logic with trapped ions

P. Bachor, Thomas Feldker+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 16, 2016

Quantum Information and Cryptography参考文献 29被引用 4

一句话总结

该论文通过123 nm真空紫外（VUV）脉冲，实现了对线性库仑晶体中单个40Ca+离子的相干、选择性激发至Rydberg态22F，该过程在使用聚焦良好的729 nm激光预先制备3D5/2亚稳态量子比特态之后完成。关键成果是实现了约3:1的选择性激发比，通过离子移位与单离子选择性激发实现，为离子阱中Rydberg量子逻辑奠定了关键平台。

ABSTRACT

We demonstrate the excitation of ions to the Rydberg state $22F$ by vacuum ultraviolet radiation at a wavelength of $123\, ext{nm}$ combined with the coherent manipulation of the optical qubit transition in $^{40} ext{Ca}^+$. With a tightly focused beam at $729\, ext{nm}$ wavelength we coherently excite a single ion from a linear string into the metastable $3D_{5/2}$ state before a VUV pulse excites it to the Rydberg state. In combination with ion shuttling in the trap, we extend this approach to the addressed excitation of multiple ions. The coherent initialization as well as the addressed Rydberg excitation are key prerequisites for more complex applications of Rydberg ions in quantum simulation or quantum information processing.

研究动机与目标

• 将40Ca+中光学量子比特的相干操控与Rydberg态激发相结合，以实现可扩展的量子信息处理。
• 利用聚焦良好的729 nm激光在直线离子晶体内实现单离子选择性激发，用于量子比特制备。
• 实现123 nm VUV辐射的传输与聚焦，以激发阱中离子晶体内的单个离子至Rydberg态。
• 证明将量子比特控制与Rydberg激发相结合的可行性，为未来量子模拟与量子门操作奠定基础。
• 实现未来对长寿命np态（n≈50）的激发，以增强Rydberg相互作用并提高量子门保真度。

提出的方法

• 采用带有金涂层陶瓷刀片的分段式线性Paul阱，以6.5–20 MHz的射频激励，将40Ca+离子限制在直线晶体中。
• 使用聚焦良好的729 nm激光束，通过拉比振荡实现对单个离子中3D5/2亚稳态量子比特态的相干激发与制备。
• 123.256119(5) nm波长的VUV光源产生窄带、连续波辐射，用于激发22F Rydberg态。
• 通过在分段阱电极上施加电压跳变（±280 mV，500 μs）实现离子移位，将离子链移动至使特定离子与729 nm光束对准，从而实现选择性激发。
• 通过监测磁量子数m的变化来检测Rydberg激发，相较于总角动量j，该方法提高了探测效率。
• 通过背景扣除与校准，补偿了由于VUV脉冲时序与探测重叠导致的非选择离子残余激发。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否使用聚焦良好的729 nm激光束，在线性40Ca+离子晶体中相干制备单个离子的3D5/2量子比特态？
• RQ2 123 nm的VUV辐射能否有效传输至阱中离子晶体，以激发22F Rydberg态？
• RQ3 通过离子移位与光束聚焦，能否实现高对比度的选择性Rydberg激发（即被激发离子与未被激发离子之间的激发比）？
• RQ4 在多离子链中结合量子比特制备与VUV激发时，单离子选择性激发与Rydberg激发的保真度如何？
• RQ5 残余背景激发如何影响测量保真度？是否可被有效抑制？

主要发现

• 729 nm激光在4S1/2 ↔ 3D5/2跃迁上实现了80 kHz的拉比频率，对中心被选择的离子有效，而未被选择的离子基本未被激发。
• 在背景扣除后，被选择离子与未被选择离子的Rydberg激发比约为3:1，表明选择性激发有效。
• 在未被选择的离子中观察到8%的恒定背景信号，归因于VUV脉冲与探测时间重叠，以及探测期间的残余激发。
• 通过在阱电极上施加±280 mV电压跳变，500 μs内将离子链移动14 μm，未导致拉比振荡对比度下降或非期望激发增加。
• 在三离子链中，两个外侧离子的激发实现了约2.8:1的Rydberg激发比，证实了该选择性激发方案的可扩展性。
• 该方法可通过磁量子数m进行探测，相较于总角动量j，显著提高了探测效率。