Methods of quantum logic in ion frequency standards, quantum computers, and modern spectroscopy

Capa

Citar

Texto integral

Resumo

Today, precise laser control of the quantum states of single ions cooled to low temperatures in traps ensures significant progress in the development of such physical areas as optical and microwave frequency standards, quantum computing, and accurate measurements of transition frequencies to confirm fundamental physical theories. Pioneering ideas about the possibility of using lasers in the development of frequency standards, expressed in the 1960s by the Nobel laureate N G Basov, have enjoyed rapid development: the relative accuracy of frequency standards has reached the 18th decimal place, and the experimentally demonstrated coherence time of narrow optical transitions amounts to tens of seconds. The paper presents a selective review, as well as the results of research at the Lebedev Physical Institute, in the area of using elements of quantum logic in the action of coherent laser pulses on single ions. Also discussed is the use of quantum logic methods in optical clocks based on the $ Al^+$ ion and the multiply charged $\rm Al^+$ ion, and also in quantum computers based on $\rm Ca^+$ and $\rm Yb^+$ ions.

Sobre autores

Ksenia Khabarova

P. N. Lebedev Physical Institute of the Russian Academy of Sciences; Russian Quantum Center

Candidate of physico-mathematical sciences, no status

Ilia Zalivako

P. N. Lebedev Physical Institute of the Russian Academy of Sciences; Russian Quantum Center

Email: zalivako.ilya@yandex.ru
Researcher ID: M-7635-2015

Nikolay Kolachevsky

P. N. Lebedev Physical Institute of the Russian Academy of Sciences; Russian Quantum Center

Email: kolachevsky@lebedev.ru
Scopus Author ID: 6602852750
Doctor of physico-mathematical sciences

Bibliografia

  1. Saffman M., “Quantum computing with atomic qubits and Rydberg interactions: progress and challenges”, J. Phys. B, 49 (2016), 202001
  2. Bruzewicz C. D. et al., “Trapped-ion quantum computing: Progress and challenges”, Appl. Phys. Rev., 6 (2019), 021314
  3. Flamini F., Spagnolo N., Sciarrino F., “Photonic quantum information processing: a review”, Rep. Prog. Phys., 82 (2019), 016001
  4. Wolfowicz G. et al., “Quantum guidelines for solid-state spin defects”, Nat. Rev. Mater., 6 (2021), 906
  5. Linke N. M. et al., “Experimental comparison of two quantum computing architectures”, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 114 (2017), 3305
  6. Kiktenko E. O. et al., “Single qudit realization of the Deutsch algorithm using superconducting many-level quantum circuits”, Phys. Lett. A, 379 (2015), 1409
  7. Georgescu I., “Trapped ion quantum computing turns 25”, Nat. Rev. Phys., 2 (2020), 278
  8. Degen C. L., Reinhard F., Cappellaro P., “Quantum sensing”, Rev. Mod. Phys., 89 (2017), 035002
  9. Pirandola S. et al., “Advances in quantum cryptography”, Adv. Opt. Photon., 12 (2020), 1012
  10. Yin J. et al., “Entanglement-based secure quantum cryptography over $1,120$ kilometres”, Nature, 582 (2020), 501
  11. Beloy K. et al., “Frequency ratio measurements at 18-digit accuracy using an optical clock network”, Nature, 591 (2021), 564
  12. Arute F. et al., “Quantum supremacy using a programmable superconducting processor”, Nature, 574 (2019), 505
  13. Басов Н. Г., Прохоров А. М., “Молекулярный генератор и усилитель”, УФН, 57 (1955), 485
  14. Basov N. G., Semiconductor lasers Nobel Lecture, December 11, 1964, The Nobel Foundation
  15. Басов Н. Г., Летохов В. С., “Оптические стандарты частоты”, УФН, 96 (1968), 585
  16. Басов Н. Г., Крохин О. Н., “Условия разогрева плазмы излучением оптического генератора”, ЖЭТФ, 46 (1964), 171
  17. Riehle F., Frequency Standards: Basics and Applications, Wiley-VCH, Weinheim, 2004
  18. Meschede D., Walther H., Müller G., “One-atom maser”, Phys. Rev. Lett., 54 (1985), 551
  19. Particle control in a quantum world, The Nobel Prize in Physics 2012. Press release pub The Nobel Foundation
  20. Schawlow A. L., Townes C. H., “Infrared and optical masers”, Phys. Rev., 112 (1958), 1940
  21. Летохов В. С., Чеботаев В. П., Принципы нелинейной лазерной спектроскопии, Наука, М., 1975
  22. Letokhov V., Laser Control of Atoms and Molecules, Oxford Univ. Press, Oxford, 2007
  23. Alnis J. et al., “Subhertz linewidth diode lasers by stabilization to vibrationally and thermally compensated ultralow-expansion glass Fabry—Perot cavities”, Phys. Rev. A, 77 (2008), 053809
  24. Kessler T. et al., “A sub-40-mHz-linewidth laser based on a silicon single-crystal optical cavity”, Nat. Photon., 6 (2012), 687
  25. Bothwell T. et al., “Resolving the gravitational redshift across a millimetre-scale atomic sample”, Nature, 602 (2022), 420
  26. Levine H. et al., “High-fidelity control and entanglement of Rydberg-atom qubits”, Phys. Rev. Lett., 121 (2018), 123603
  27. Kolachevsky N. et al., “Low phase noise diode laser oscillator for 1S-2S spectroscopy in atomic hydrogen”, Opt. Lett., 36 (2011), 4299
  28. Hald J., Ruseva V., “Efficient suppression of diode-laser phase noise by optical filtering”, J. Opt. Soc. Am. B, 22 (2005), 2338
  29. Paul W., Raether M., “Das elektrische Massenfilter”, Z. Phys., 140 (1995), 262
  30. Wineland D. J., Drullinger R. E., Walls F. L., “Radiation-pressure cooling of bound resonant absorbers”, Phys. Rev. Lett., 40 (1978), 1639
  31. Diedrich F. et al., “Observation of a phase transition of stored laser-cooled ions”, Phys. Rev. Lett., 59 (1987), 2931
  32. Cirac J. I., Zoller P., “Quantum computations with cold trapped ions”, Phys. Rev. Lett., 74 (1995), 4091
  33. Sorensen A., Molmer K., “Quantum computation with ions in thermal motion”, Phys. Rev. Lett., 82 (1999), 1971
  34. Wineland D. J., Dehmelt H., Bull. Am. Phys. Soc., 20 (1975), 637
  35. Monroe C. et al., “Resolved-sideband Raman cooling of a bound atom to the 3D zero-point energy”, Phys. Rev. Lett., 75 (1995), 4011
  36. Larson D. J. et al., “Sympathetic cooling of trapped ions: A laser-cooled two-species nonneutral ion plasma”, Phys. Rev. Lett., 57 (1986), 70
  37. Brewer S. M. et al., “$ ^{27}$Al$ ^+$ quantum-logic clock with a systematic uncertainty below $10^{-18}$”, Phys. Rev. Lett., 123 (2019), 033201
  38. Pino J. M. et al., “Demonstration of the trapped-ion quantum CCD computer architecture”, Nature, 592 (2021), 209
  39. Kozlov M. G. et al., “Highly charged ions: Optical clocks and applications in fundamental physics”, Rev. Mod. Phys., 90 (2018), 45005
  40. Parez P. et al., “The GBAR antimatter gravity experiment”, Hyperfine Interact., 233 (2015), 21
  41. Khabarova K. et al., “Toward a new generation of compact transportable Yb$ ^+$ optical clocks”, Symmetry, 14 (2022), 2213
  42. Burt E. A. et al., “Demonstration of a trapped-ion atomic clock in space”, Nature, 595 (2021), 43
  43. Lacroûte C. et al., “Compact Yb$ ^+$ optical atomic clock project: design principle and current status”, J. Phys. Conf. Ser., 723 (2016), 012025
  44. Herschbach N. et al., “Linear Paul trap design for an optical clock with Coulomb crystals”, Appl. Phys. B, 107 (2012), 891
  45. Keller J. et al., Phys. Rev. A, 99 (2019), 013405
  46. Dehmelt H. G., Bull. Am. Phys. Soc., 18 (1973), 1521
  47. Diddams S. A. et al., “An optical clock based on a single trapped $ ^{199}$Hg$ ^+$ ion”, Science, 24 (1999), 881
  48. Barwood G. P. et al., “Agreement between two $ ^{88}$Sr$ ^+$ optical clocks to 4 parts in $10^{17}$”, Phys. Rev. A, 89 (2014), 050501
  49. Rosenband T. et al., “Frequency ratio of Al$^+$ and Hg$^+$ single-ion optical clocks; metrology at the 17th decimal place”, Science, 319 (2008), 1808
  50. Huntemann N. et al., “High-accuracy optical clock based on the octupole transition in $ ^{171}$Yb$ ^+$”, Phys. Rev. Lett., 108 (2012), 090801
  51. Huang Y. et al., “Frequency comparison of two $ ^{40}$Ca$ ^+$ optical clocks with an uncertainty at the $10^{-17}$ level”, Phys. Rev. Lett., 116 (2016), 013001
  52. Chou C. W. et al., “Optical clocks and relativity”, Science, 329 (2010), 1630
  53. Fischer M. et al., “New limits on the drift of fundamental constants from laboratory measurements”, Phys. Rev. Lett., 92 (2004), 230802
  54. Lange R. et al., “Improved limits for violations of local position invariance from atomic clock comparisons”, Phys. Rev. Lett., 126 (2021), 11102
  55. Schmidt P. O. et al., “Spectroscopy using quantum logic”, Science, 309 (2005), 749
  56. Golovizin A. et al., “Inner-shell clock transition in atomic thulium with a small blackbody radiation shift”, Nat. Commun., 10 (2019), 1724
  57. Bergquist J. C., Itano W. M., Wineland D. J., “Recoilless optical absorption and Doppler sidebands of a single trapped ion”, Phys. Rev. A, 36 (1987), 428
  58. Chou C. W. et al., “Frequency comparison of two high-accuracy Al$^+$ optical clocks”, Phys. Rev. Lett., 104 (2010), 070802
  59. Micke P. et al., “Coherent laser spectroscopy of highly charged ions using quantum logic”, Nature, 578 (2020), 60
  60. King S. A. et al., “An optical atomic clock based on a highly charged ion”, Nature, 611 (2022), 43
  61. Herrmann M. et al., “Feasibility of coherent xuv spectroscopy on the $1S-2S$ transition in singly ionized helium”, Phys. Rev. A, 79 (2009), 052505
  62. Opticloc. BMBF project
  63. Cao J. et al., “A compact, transportable single-ion optical clock with $7.8times 10^{-17}$ systematic uncertainty”, Appl. Phys. B, 123 (2017), 112
  64. Hannig S. et al., “Towards a transportable aluminium ion quantum logic optical clock”, Rev. Sci. Instrum., 90 (2019), 53204
  65. Riehle F., “Optical clock networks”, Nat. Photon., 11 (2017), 25
  66. Rochat P. et al., “Atomic clocks and timing systems in global navigation satellite systems”, Proc. of the 2012 European Navigation Conf., 2012, 25
  67. Wang P. et al., “Single ion qubit with estimated coherence time exceeding one hour”, Nat. Commun., 12 (2021), 233
  68. DiVincenzo D. P., “The physical implementation of quantum computation”, Fortschr. Phys., 48 (2000), 771
  69. Zhang J. et al., “Observation of a many-body dynamical phase transition with a 53-qubit quantum simulator”, Nature, 551 (2017), 601
  70. Turchette Q. A. et al., “Deterministic entanglement of two trapped ions”, Phys. Rev. Lett., 81 (1998), 3631
  71. Schmidt-Kaler F. et al., “Realization of the Cirac—Zoller controlled-NOT quantum gate”, Nature, 422 (2003), 408
  72. Wright K. et al., “Benchmarking an 11-qubit quantum computer”, Nat. Commun., 10 (2019), 5464
  73. Ryan-Anderson C. et al., Implementing fault-tolerant entangling gates on the five-qubit code and the color code
  74. Cross A. W. et al., “Validating quantum computers using randomized model circuits”, Phys. Rev. A, 100 (2019), 032328
  75. Семериков И. А. и др., “Многочастичные потери в линейной квадрупольной ловушке Пауля”, Квантовая электроника, 46 (2016), 935
  76. Семериков И. А. и др., “Линейная ловушка Пауля для задач квантовой логики”, Краткие сообщения по физике ФИАН, 47 (2020), 385
  77. Заливако И. В. и др., “Экспериментальное исследование оптического кубита на квадрупольном переходе 435 нм в ионе $ ^{171}$Yb$ ^+$”, Письма в ЖЭТФ, 114 (2021), 53
  78. Семенин Н. В. и др., “Оптимизация достоверности считывания квантового состояния оптического кубита в ионе иттербия $ ^{171}$Yb$ ^+$”, Письма в ЖЭТФ, 114 (2021), 553
  79. Семенин Н. В. и др., “Определение скорости нагрева и температуры ионных цепочек в линейной ловушке Пауля по дефазировке осцилляций Раби”, Письма в ЖЭТФ, 116 (2022), 74

Arquivos suplementares

Arquivos suplementares
Ação
1. JATS XML
Baixar

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».