Квантовая логическая спектроскопия

Квантовая логическая спектроскопия ( QLS ) — это схема управления ионами, которая отображает квантовую информацию между двумя совместно захваченными видами ионов. ^[1] Квантовые логические операции позволяют использовать желаемые свойства каждого вида ионов одновременно. Это позволяет работать с ионами и молекулярными ионами, имеющими сложные внутренние структуры энергетических уровней, которые исключают лазерное охлаждение и прямое манипулирование состоянием. QLS была впервые продемонстрирована NIST в 2005 году. ^[1] QLS была впервые применена для обнаружения состояния в двухатомных молекулах в 2016 году Вольфом и др. ^[2] , а затем применена для манипулирования состоянием и обнаружения двухатомных молекул группой Либфрида в NIST в 2017 году ^[3]

Обзор

Лазеры используются для сопряжения внутренних и внешних степеней свободы каждого иона. Кулоновское взаимодействие между двумя ионами связывает их движение. Это позволяет внутреннему состоянию одного иона передаваться другому. Вспомогательный «логический ион» обеспечивает охлаждение, подготовку состояния и обнаружение состояния для совместно захваченного «спектроскопического иона», имеющего интересующий электронный переход. Логический ион используется для обнаружения и управления внутренним и внешним состоянием спектроскопического иона. ^[4]^[5]^[6]

Логический ион выбирается так, чтобы иметь простую структуру энергетического уровня, которая может быть напрямую охлаждена лазером, часто это щелочноземельный ион. Охлаждаемый лазером логический ион обеспечивает симпатическое охлаждение спектроскопического иона, которому не хватает эффективной схемы лазерного охлаждения. Охлаждение спектроскопического иона уменьшает количество вращательных и колебательных состояний, которые он может занимать. Оставшиеся состояния затем доступны посредством управления стимулированными переходами спектроскопии Рамана с помощью лазера. Свет, используемый для управления этими переходами, далек от резонанса любых электронных переходов. Это позволяет контролировать вращательное и колебательное состояние спектроскопического иона. ^[4]^[5]^[6]

До сих пор QLS ограничивался двухатомными молекулами с массой в пределах 1 АМЕ охлаждаемого лазером «логического» иона. Это в значительной степени обусловлено худшей связью двигательных состояний обитателей ионной ловушки по мере увеличения несоответствия масс. ^[7] Другие методы, более терпимые к большим несоответствиям масс, лучше подходят для случаев, когда не требуется предельное разрешение QLS, но все еще желательна чувствительность к одиночной молекуле.

Протокол передачи состояния

Внутренние состояния каждого иона можно рассматривать как двухуровневую систему с собственными состояниями, обозначенными и . Одна из нормальных мод иона выбирается в качестве режима передачи, используемого для отображения состояния. Этот режим движения должен быть общим для обоих ионов, что требует, чтобы оба иона были одинаковы по массе. Нормальный режим имеет состояния гармонического осциллятора, обозначенные как , где n — это n-й уровень режима m. Волновая функция $|\uparrow \ \rangle ,$ $|\downarrow \ \rangle$ $|n\rangle _{m}$

|\phi \ \rangle _{0}=|\downarrow \ \rangle _{S}|\downarrow \ \rangle _{L}|0\rangle _{m},

обозначает как ионы, так и режим переноса в основном состоянии. ^[8] S и L представляют спектроскопию и логический ион. Спектроскопический переход спектроскопического иона затем возбуждается лазером, создавая состояние:

|\phi \ \rangle _{1}=(\alpha \ |\downarrow \ \rangle _{S}+\beta \ |\uparrow \ \rangle _{S})|\downarrow \ \rangle _{L}|0\rangle _{m}=(\alpha \ |\downarrow \ \rangle _{S}|0\rangle _{m}+\beta \ |\uparrow \ \rangle _{S}|0\rangle _{m})|\downarrow \ \rangle _{L}

Затем на спектроскопический ион воздействует пи-импульс красной боковой полосы, что приводит к состоянию:

|\phi \ \rangle _{2}=(\alpha \ |\downarrow \ \rangle _{S}|0\rangle _{m}+\beta \ |\downarrow \ \rangle _{S})|1\rangle _{m})|\downarrow \ \rangle _{L}=|\downarrow \ \rangle _{S}|\downarrow \ \rangle _{L}(\alpha \ |0\rangle _{m}+\beta \ |1\rangle _{m})

На этом этапе внутреннее состояние спектроскопического иона было отображено на режим передачи. Внутреннее состояние иона было связано с его двигательной модой. Состояние не затронуто импульсом света, выполняющим эту операцию, поскольку состояние не существует. ^[9]^[6] QLS использует это преимущество для отображения состояния спектроскопического иона на режим передачи. Последний красный боковой пи-импульс применяется к логическому иону, что приводит к состоянию: $|\downarrow \ \rangle _{S}|0\rangle _{m}$ $|\uparrow \ \rangle _{S}|-1\rangle _{m}$

|\phi \ \rangle _{final}=|\downarrow \ \rangle _{S}(\alpha \ |\downarrow \ \rangle _{L}+\beta \ |\uparrow \ \rangle _{L})|0\rangle _{m}

Начальное состояние спектроскопического иона было отображено на логическом ионе, который затем может быть обнаружен.

Ссылки

^ ab Schmidt, PO; Rosenband, T.; Koelemeij, JCJ; Hume, DB; Itano, WM; Bergquist, JC; Wineland, DJ (2006). "Спектроскопия атомных и молекулярных ионов с использованием квантовой логики" (PDF) . В Drewson, M.; Uggerhøj, U.; Knudson, H. (ред.). Non-Neutral Plasma Physics VI, Workshop on Non-Neutral Plasmas . American Institute of Physics. стр. 305–312.
^ Вольф, Фабиан; Ван, Йонг; Хейп, Ян К.; Геберт, Флориан; Ши, Чунян; Шмидт, Пит О. (2016). «Неразрушающее обнаружение состояния для квантовой логической спектроскопии молекулярных ионов». Nature . 530 (7591): 457–460. arXiv : 1507.07511 . Bibcode :2016Natur.530..457W. doi :10.1038/nature16513. ISSN 1476-4687.
^ Chou, Chin-wen; Kurz, Christoph; Hume, David B.; Plessow, Philipp N.; Leibrandt, David R.; Leibfried, Dietrich (2017). «Подготовка и когерентное манипулирование чистыми квантовыми состояниями одного молекулярного иона». Nature . 545 (7653): 203–207. arXiv : 1612.03926 . Bibcode :2017Natur.545..203C. doi :10.1038/nature22338. ISSN 1476-4687. PMID 28492258.
^ ab Morigi, G. ; Walther, H. (2001). «Двухвидовые кулоновские цепи для квантовой информации». European Physical Journal D . 13 (2): 261–269. arXiv : quant-ph/0005082 . Bibcode :2001EPJD...13..261M. doi :10.1007/s100530170275. S2CID 120207527.
^ ab Barrett, MD; DeMarco, B.; Schaetz, T.; Rosenband, T.; Wineland, DJ (3 октября 2003 г.). "Симпатическое охлаждение ⁹ Be ⁺ и ²⁴ Mg ⁺ для квантовой логики". Physical Review A . 68 (4): 042302. arXiv : quant-ph/0307088 . Bibcode :2003PhRvA..68d2302B. doi :10.1103/PhysRevA.68.042302. S2CID 118962718.
Barrett, MD; DeMarco, B.; Schaetz, T.; Rosenband, T.; Wineland, DJ (26 ноября 2003 г.). "Примечание издателя: Симпатическое охлаждение 9Be+ и 24Mg+ для квантовой логики [Phys. Rev. A 68, 042302 (2003)]". Physical Review A . 68 (5): 059904. Bibcode :2003PhRvA..68e9904B. doi : 10.1103/PhysRevA.68.059904 .
^ abc Wineland, DJ; Monroe, C.; Itano, WM; Leibfried, D.; King, BE; Meekhof, DM (1998). "Экспериментальные проблемы когерентного квантово-состояния манипуляции захваченными атомарными ионами" (PDF) . Журнал исследований Национального института стандартов и технологий . 103 (3): 259–328. doi :10.6028/jres.103.019. PMC 4898965 . PMID 28009379.
^ Вольф, Фабиан; Ван, Йонг; Хейп, Ян К.; Геберт, Флориан; Ши, Чунян; Шмидт, Пит О. (2016). «Неразрушающее обнаружение состояния для квантовой логической спектроскопии молекулярных ионов». Nature . 530 (7591): 457–460. arXiv : 1507.07511 . Bibcode :2016Natur.530..457W. doi :10.1038/nature16513. PMID 26855427.
^ Шмидт, PO; Розенбанд, T.; Лангер, C.; Итано, WM; Бергквист, JC; Уайнленд, DJ (2005). «Спектроскопия с использованием квантовой логики». Science . 309 (5735): 749–752. Bibcode :2005Sci...309..749S. doi :10.1126/science.1114375. PMID 16051790. S2CID 4835431.
^ Meekhof, DM; Monroe, C.; King, BE; Itano, WM; Wineland, DJ (11 марта 1996 г.). «Генерация неклассических состояний движения захваченного атома». Physical Review Letters . 76 (11): 1796–1799. Bibcode :1996PhRvL..76.1796M. doi : 10.1103/PhysRevLett.76.1796 . PMID 10060523.
Meekhof, DM; Monroe, C.; King, BE; Itano, WM; Wineland, DJ (9 сентября 1996 г.). "Generation of Nonclassical Motional States of a Trapped Atom (Erratum)". Physical Review Letters . 77 (11): 2346. doi : 10.1103/PhysRevLett.77.2346 .