[论文解读] Ultrafast Coherent Coupling of Atomic Hyperfine and Photon Frequency Qubits

M. J. Madsen, D. L. Moehring+4 more|ArXiv.org|Mar 28, 2006

Quantum Information and Cryptography被引用 4

一句话总结

该论文通过飞秒激光脉冲实现了被捕获镉离子的超精细量子比特与光子频率量子比特之间的超快相干耦合。通过使用反向传播的脉冲相干激发和去激发离子，作者观测到拉比条纹对比度的周期性恢复，证实了原子量子比特与发射光子频率之间的纠缠，从而实现了对运动不敏感的远程离子纠缠量子门和超快量子逻辑操作。

ABSTRACT

We demonstrate ultrafast coherent coupling between an atomic qubit stored in a single trapped cadmium ion and a photonic qubit represented by two resolved frequencies of a photon. Such ultrafast coupling is crucial for entangling networks of remotely-located trapped ions through photon interference, and is also a key component for realizing ultrafast quantum gates between Coulomb-coupled ions.

研究动机与目标

• 开发一种在原子超精细量子比特与光子频率量子比特之间实现超快、相干耦合的方法，以实现对运动不敏感的量子逻辑操作。
• 通过使用超快脉冲，克服传统捕获离子量子门对运动态的严格要求。
• 证明被捕获离子的超精细态与自发发射光子的频率之间存在纠缠。
• 利用拉比干涉测量法，以高精度测量基态与激发态之间超精细分裂能级差。
• 通过动量冲量和光子干涉，实现未来可扩展的量子网络和超快量子门操作。

提出的方法

• 使用锁模钛蓝宝石激光器产生中心波长为400 nm、脉宽100 fs的脉冲，经四倍频后用于共振激发111Cd+离子的5s 2S1/2至5p 2P3/2跃迁。
• 应用单个超快脉冲，相干驱动S1/2与P3/2态之间的拉比振荡，诱导发射一个与离子超精细态频率纠缠的单光子。
• 使用第二个反向传播的超快脉冲，相干地去激发离子，将布居数转移回基态，并施加2ℏk的动量冲量。
• 采用双脉冲拉比干涉仪，通过调节脉冲间时间延迟，探测超精细叠加态的相干演化。
• 通过拉比条纹相位的正弦拟合，提取基态与激发态之间超精细分裂能级差。
• 使用单个拟合参数（a）的光学布洛赫方程模型，描述脉冲诱导的拉比振荡与自发辐射效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 超快激光脉冲是否能够实现被捕获离子的超精细量子比特与自发发射光子频率之间的相干耦合？
• RQ2 拉比条纹对比度在多大程度上依赖于超快脉冲之间的时间延迟，从而反映相干演化与纠缠？
• RQ3 能否利用超快脉冲与拉比干涉测量法，以高精度测量基态与激发态之间超精细分裂能级差？
• RQ4 反向传播的脉冲对是否能施加与量子比特态无关的动量冲量，从而实现对运动不敏感的量子门？
• RQ5 该方案是否能够在不依赖离子处于兰姆-狄克特定域的前提下，实现远程捕获离子之间的概率性量子门？

主要发现

• 拉比条纹对比度以约680 ps的周期消失并恢复，证实了原子超精细量子比特与发射光子频率之间的相干耦合。
• 测得基态与激发态之间超精细分裂能级差为ΔωHF = 13.904 ± 0.004 GHz，由此得出激发态超精细分裂能级为626 ± 4 MHz。
• 拉比条纹相位随脉冲延迟线性变化，斜率为13.904 GHz，表明频率测量具有高精度，且不受激光能量或离子位置波动的影响。
• 系统通过单个超快脉冲实现S1/2至P3/2跃迁的保真度接近100%，支持高保真度初始化与态探测。
• 反向传播脉冲对对离子施加了2ℏk的动量冲量，且该冲量与量子比特态无关，从而实现全局相位演化与对运动不敏感的量子门操作。
• 采用单个拟合参数（a）的光学布洛赫方程模型能准确复现观测到的拉比振荡与对比度恢复，验证了理论框架的正确性。