科研进展 | 佐治亚理工学院：潘宁囚禁阱中的单个离子寻址和读取

模拟量子多体物理学是通用量子计算机的主要应用之一。但这种计算机尚不可用，因此人们对构建所谓的模拟量子模拟器产生了浓厚的兴趣。这些是可用于研究特定多体问题的工程粒子系统。实验挑战是增加这种模拟器中的粒子数量，同时保持在单粒子水平上控制系统的能力。

10月23日，佐治亚理工学院的研究人员在《Physical Review Letters》期刊上发表题为“Individual-Ion Addressing and Readout in a Penning Trap”（潘宁囚禁阱中的单个离子寻址和读取）的研究论文，并获得“编辑推荐”、“物理亮点”，Brian C. Sawyer为论文第一作者兼通讯作者。

在本文中，研究人员在紧凑的永磁潘宁阱中实现了刚性旋转平面晶体中的离子的单独寻址和读取。通过旋转三角形势，能够无缺陷地囚禁并稳定40Ca+晶体。在旋转坐标系中检测到囚禁离子荧光，以便并行读取。量子比特在亚稳D_5/2流形中编码，允许使用高功率近红外激光系统进行量子比特操作。寻址σz操作是通过聚焦的交流斯塔克位移激光束实现的。研究人员展示了晶体中心附近和大半径处的离子寻址。

图：将激光束（橙色）对准快速旋转的三角形离子晶格（紫色）。通过确保光束的光斑（黄色）小于离子间距，并且激光脉冲（红色）穿过特定离子的轨迹（蓝色），研究人员可以操控该离子。这种单离子操作可能对量子模拟很有用。

模拟表明，受限于接近多普勒极限的面内模式的离子热范围，当前的寻址操作保真度的极限为~97%，但通过亚多普勒冷却，失真度有望改进到<10^−3。本文所演示的技术完善了使用该平台进行量子模拟的操作集。

背景

多体自旋模型的量子模拟在含噪中等规模量子（NISQ）时代经历了快速的发展。演示的量子模拟硬件平台包括光镊中的中性原子，射频泡利阱和潘宁阱中的囚禁离子，以及超导量子比特。这些平台在其可访问的量子比特数、原始操作保真度和原生量子比特连接性方面都有所不同。潘宁阱和中性原子阵列都被用于数百个量子比特的量子模拟。它们的阱深较大，因而离子阱表现出较长的约束时间，并且寿命超过几周的时间已经在潘宁阱中被证明。离子晶体允许通过集体运动模式实现完全连接，而其他平台通过局域相互作用构建连接。但是，由于潘宁阱系统在连续晶体旋转中缺乏单个量子比特寻址，迄今为止限制了可获得的自旋自旋耦合的范围。

理论方法

研究人员首先构建了一个紧凑的永磁潘宁阱，用以囚禁并稳定40Ca+离子晶体。离子在磁场中的运动被限制在特定的能级上，这些能级构成了量子比特的基础。通过精确控制激光和微波辐射，研究人员能够在这些能级之间实现量子态的转换，从而操控量子比特。

此外，研究人员还提出了一种新的寻址方法，即使用聚焦的交流斯塔克位移激光束（ac Stark shifting laser beam），改变离子的能级，进而实现对单个离子进行操作，且不影响其他离子。

在读取量子比特态方面，研究人员采用了光泵技术，将离子的mJ=-3/2态转移到S1/2能级。这种转移过程允许通过检测离子的荧光来读取量子比特的状态，这是一种高效且精确的读取方法。

实验方法

实验方法的创新之处在于实现理论方法中提出的单个离子寻址和读取技术。研究人员构建了一个紧凑的永磁潘宁阱，通过金电极提供的静电四极势来限制离子沿磁场轴的方向。这个潘宁阱产生了特定频率的运动模式，这些模式对于后续的量子比特操作至关重要。

在实验中，研究人员首先使用光学方法将离子冷却到足够低的温度，以形成旋转的Coulomb晶体。这种晶体的形成是通过施加扭矩来控制的，扭矩可以通过激光束或电势阱的旋转来施加。通过这种方式，离子晶体的形态可以直接控制，为量子比特操作提供了稳定的平台。

接下来，研究人员利用聚焦的交流斯塔克位移激光束对单个离子进行寻址。这种激光束的聚焦程度小于离子之间的间距，因此可以在不影响其他离子的情况下，对特定离子进行操作。在实验中，研究人员通过改变激光束的聚焦位置和脉冲持续时间，精确地控制了对特定离子的寻址。

为了读取量子比特状态，研究人员使用了一种超快的、位置敏感的相机来记录离子的荧光信号。这些信号在旋转框架中被检测，使得离子在相机视野中看起来是静止的。通过分析这些信号，研究人员能够准确地读取量子比特的状态。

此外，研究人员还通过模拟和实验验证了寻址操作的保真度，并探讨了如何通过亚多普勒冷却技术进一步提高保真度。这些实验结果不仅证明了单个离子寻址的可行性，而且为量子信息科技的发展提供了重要的实验数据和理论支持。通过这些精确的操控技术，研究人员为实现更复杂的量子信息处理任务奠定了基础。

图1：（左）已矫正旋转畸变的俯视相机图像（0.5 s曝光），比例尺对应于50 μm。由~93个离子组成的囚禁40Ca+晶体以50 kHz旋转。（右）横截面图显示永磁体、阱电极（在印刷电路板上）、离子晶体、与晶体平面相交的寻址束。请注意，模型中的离子不是按比例计算的。

图2：用于实现亚稳量子比特的40Ca+能级。

图3：在拉姆齐序列末端的单个离子布居随寻址脉冲持续时间而变化。

图4：对于图3所示的晶体结构，光学寻址π相移失真度被模拟为各模式关于温度的函数。垂直虚线表示40Ca+中冷却跃迁的多普勒极限。

图5：在一个5 μs寻址脉冲之前，随着起始衰减的变化，测量了27个离子的命中数。

图6：随着寻址脉冲起始衰减的变化，在拉姆齐序列末端的离子24、25、26的单个离子布居。

参考链接