Robust rotations & coherent quantum states with a single trapped ion

Kohärente Operationen werden für die Implementierung von einzelnen und Multiqubit Gattern mit gespeicherten Ionen benötigt. Es wird gezeigt, dass diese Operationen robust gegen Fluktuationen von experimentellen Parametern sind.
Insbesondere werden einzelne Qubit Gatter, die mittels Optimaler Kontroll Theorie entwickelt wurden, zum ersten Mal an einzelnen Ionen gezeigt. Ihre Effizienz als Funktion von Fehlerparametern wird systematisch untersucht und mit Composite Pulsen verglichen.

Als quantenmechanisches Zweiniveausystem wird der S1/2 F = 0 → S1/2 F = 1 mF = 0 Übergang eines einzelnen 171Yb+ Ions ausgewählt, dass in einer Paul Falle gespeichert ist. Der Übergang wird mit einem Mikrowellenfeld bei 12.6 GHz getrieben. Die verwendeten Pulse wurden speziell zur Kompensation von Frequenz-, Zeit- und Leistungsfehlern des treibenden Feldes entwickelt. Bei Messungen mit Optimalen Kontroll Theorie Pulsen und Composite Pulsen ergibt sich eine höhere Fidelity als bei Messungen mit Rechteckpulsen. Es wurde eine gute Übereinstimmung zwischen den simulierten Ergebnissen und den gemessenen Resultaten erzielt.

Die Experimente besitzen eine niedrige Obergrenze des Fidelity und manche haben eine Obergrenze von 76 %. Der wahrscheinlichste Grund für diese Obergrenze dürfte eine Fehlpräparation sein. Aus diesem Grund wurde das Präparationsverfahren geändert, um schneller und effizienter präparieren zu können. Während
der Untersuchung von nicht erwünschtem Optischen Pumpen, wird die Rolle einer effektiven Vorselektion der Messdaten diskutiert.

Die Kohärenzzeit ist eine wichtige Eigenschaft eines Quantencomputers. Ein Schwachpunkt eines auf Ionenfallen basierenden Quantencomputers ist die eventuelle Abhängigkeit von magnetfeld sensitiven Niveaus. Störungen des Magnefeldes in der Falle verkürzt die Kohärenzzeit der magnetfeldempfindlichen Niveaus (5 ms) im Vergleich zu den magnetfeldunempfindlichen (500 ms).

Die Energieentartung eines“dressed states”soll bei einem“avoided crossing”gegenüber kleinen Verstimmungen der atomaren Resonanz sein. Ein “dressed state” System wird mit einem Mikrowellenfeld in den hyperfein aufgespalteten Niveaus des Grundzustands von 171Yb+ erzeugt. Einzelne “dressed states” Zustände werden gezielt präpariert und Rabioszillationen zwischen den “dressed states” beobachtet. Die Kohärenzeiten von Systemen, die nach diesem Prinzip generiert wurden, werden gemessen.