量子論理分光法

量子論理分光法（QLS ）は、2つの共トラップされたイオン種間の量子情報をマッピングするイオン制御方式です。 ^[1]量子論理演算により、各イオン種の望ましい特性を同時に利用することができます。これにより、レーザー冷却や状態の直接操作を妨げる複雑な内部エネルギーレベル構造を持つイオンや分子イオンを扱うことができます。QLSは2005年にNISTによって初めて実証されました。^[1] QLSは2016年にWolfらによって二原子分子の状態検出に初めて適用され、^[2]その後、2017年にNISTのLiebfriedグループによって二原子分子の状態操作と検出に適用されました^[3]

レーザーは、各イオンの内部および外部の運動自由度を結合するために使用されます。2 つのイオン間のクーロン相互作用により、それらの運動が結合されます。これにより、一方のイオンの内部状態をもう一方のイオンに転送できます。補助的な「ロジック イオン」は、対象となる電子遷移を持つ共トラップされた「分光イオン」の冷却、状態準備、および状態検出を提供します。ロジック イオンは、分光イオンの内部および外部状態を感知および制御するために使用されます。^{[4] [5] [6]}

論理イオンは、レーザーで直接冷却できる単純なエネルギーレベル構造を持つように選択され、多くの場合アルカリ土類イオンである。レーザー冷却された論理イオンは、効率的なレーザー冷却スキームを持たない分光イオンに共鳴冷却を提供する。分光イオンを冷却すると、占有できる回転状態と振動状態の数が減少する。残りの状態は、レーザーで誘導ラマン分光遷移を駆動することによってアクセスされる。これらの遷移を駆動するために使用される光は、どの電子遷移からも共鳴外である。これにより、分光イオンの回転状態と振動状態を制御できる。^{[4] [5] [6]}

これまでのところ、QLS はレーザー冷却された「ロジック」イオンの 1 AMU 以内の質量を持つ二原子分子に限定されています。これは主に、質量の不一致が大きくなるにつれて、イオントラップの占有者の運動状態の結合が悪くなるためです。^[7]質量の不一致に対する許容度が高い他の技術は、QLS の究極の解像度は必要ないが、単一分子の感度が依然として必要な場合に適しています。

各イオンの内部状態は、固有状態がおよび で示される 2 レベル システムとして扱うことができます。イオンの通常モードの 1 つが、状態マッピングに使用される転送モードとして選択されます。この運動モードは両方のイオンで共有される必要があり、そのためには両方のイオンの質量が類似している必要があります。通常モードには、 で示される調和振動子状態があります。ここで、n はモード m の n 番目のレベルです。波動関数 ${\displaystyle |\uparrow \ \rangle ,}$${\displaystyle |\downarrow \ \rangle }$${\displaystyle |n\rangle_{m}}$

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

両方のイオンと基底状態の遷移モードを表します。^[8] SとLは分光イオンと論理イオンを表します。分光イオンの分光遷移はレーザーで励起され、次の状態が生成されます。

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

次に、赤色サイドバンドのπパルスが分光イオンに印加され、次の状態になります。

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

この段階では、分光イオンの内部状態が転送モードにマッピングされています。イオンの内部状態は、その運動モードに結合されています。状態は存在しないため、この操作を実行する光パルスによって状態は影響を受けません。 ^{[9] [6]} QLSはこれを利用して、分光イオンの状態を転送モードにマッピングします。最後の赤色サイドバンドπパルスがロジックイオンに適用され、次の状態になります。 ${\displaystyle |\downarrow \ \rangle _{S}|0\rangle _{m}}$${\displaystyle |\uparrow \ \rangle _{S}|-1\rangle _{m}}$

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

分光イオンの初期状態は論理イオンにマッピングされており、その後検出できます。