[论文解读] Transport of multispecies ion crystals through a junction in an RF Paul trap

William Cody Burton, Brian Estey+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 23, 2022

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 4

一句话总结

该论文首次实现了在表面电极射频保罗阱中通过X型接头传输多组分离子晶体——包含138Ba+和171Yb+离子。通过在分段控制电极上施加优化的时间变电压，作者实现了最高达4 m/s的低振动激发传输，轴向质心模式每往返一次仅激发0.013–0.030个量子，从而在二维离子阱架构中实现可扩展的、低错误率的量子操作。

ABSTRACT

We report on the first demonstration of transport of a multispecies ion crystal through a junction in an RF Paul trap. The trap is a two-dimensional surface-electrode trap with an X junction and segmented control electrodes to which time-varying voltages are applied to control the shape and position of potential wells above the trap surface. We transport either a single $^{171}$Yb$^+$ ion or a crystal composed of a $^{138}$Ba$^+$ ion cotrapped with the $^{171}$Yb$^+$ ion to any port of the junction. We characterize the motional excitation by performing multiple round-trips through the junction and back to the initial well position without cooling. The final excitation is then measured using sideband asymmetry. For a single $^{171}$Yb$^+$ ion, transport with a $4\;\mathrm{m/s}$ average speed induces between $0.013\pm0.001$ and $0.014\pm0.001$ quanta of excitation per round trip, depending on the exit port. For a Ba-Yb crystal, transport at the same speed induces between $0.013\pm0.001$ and $0.030\pm0.002$ quanta per round trip of excitation to the axial center of mass mode. Excitation in the axial stretch mode ranges from $0.005\pm0.001$ to $0.021\pm0.001$ quanta per round trip.

研究动机与目标

• 通过在二维离子阱中实现离子晶体通过接头的运输，以支持可扩展的全连接量子计算架构。
• 在运输过程中最小化振动激发，以保持量子相干性并降低多量子比特操作的错误率。
• 证明协同冷却离子可与量子比特离子一起通过复杂阱几何结构运输，且不发生重排或显著加热。
• 表征运输速度、电压漂移及杂散电场对离子激发和系统稳定性的影响。
• 通过实验侧带不对称性测量验证晶体动力学和接头区域模式交叉的数值模型。

提出的方法

• 研究采用微纳加工的表面电极射频保罗阱，其具有X型接头和分段控制电极，通过时间变电势阱实现离子运输。
• 利用约束数值方法优化控制电极电压，生成平滑的运输波形，以最小化微运动和模式耦合。
• 应用有效势的拟势近似，总约束由射频轨几何结构决定，且与控制电压无关。
• 通过沿运输路径插值的势阱在测量区域（M1–M4）之间进行离子运输，期间不进行中间冷却。
• 通过多次往返后对轴向模式的侧带不对称性测量量化振动激发，从而提取加热速率。
• 数值模拟用于建模运输过程中离子晶体的取向、正常模频率及模式交叉，尤其关注接头中心附近区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可在二维表面电极射频保罗阱中实现多组分离子晶体通过接头的运输，且不产生显著的振动激发？
• RQ2 运输速度如何影响单离子和离子晶体系统在轴向质心模式与拉伸模式中的振动加热？
• RQ3 模式交叉和晶体重新取向在接头运输过程中的振动激发中起何种作用？
• RQ4 协同冷却离子是否可与量子比特离子一起通过接头运输，而不会发生重排或过度加热？
• RQ5 电压漂移和外部杂散电场如何影响运输保真度和离子稳定性？

主要发现

• 以4 m/s速度运输单个171Yb+离子时，轴向质心模式每往返一次激发0.013–0.014个量子，且在不同出口端无显著差异。
• 对于Ba-Yb离子晶体，轴向质心模式激发为0.013 ± 0.001至0.030 ± 0.002个量子/往返，具体取决于出口端。
• Ba-Yb离子晶体的轴向拉伸模式激发为0.005 ± 0.001至0.021 ± 0.001个量子/往返，其中M3支路的激发更高。
• 数值模拟显示，晶体在接头中心处从轴向重新取向为垂直于阱平面，且171Yb+离子在整个过程中始终最靠近接头。
• 在运输过程中，x ≈ 25 μm附近出现模式交叉，可能增加模式耦合复杂性，但当径向模式预先冷却时，不会导致显著加热。
• 当径向模式预先冷却时，未观察到轴向模式中存在加热泄漏，表明运输过程中径向激发水平较低。