ionen: verschränkung nicole stefanov 13.07.2011
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Ionen: Verschränkung
Nicole Stefanov 13.07.2011
http://www.uibk.ac.at/ipoint/news/images/2011/14ionen_web.jpg
0. Überblick: IonenverschränkungWie?Wie?
Verschränkung der internen Zustände der Ionen mit denen der Bewegungsmode der Ionen
Warum?Warum? Ausführung von Operationen → Realisierung von
Quantencomputern[9]
GliederungGliederung
• Experimenteller Aufbau/Vorüberlegungen• Qubit Operationen
– Ein-Qubit-Operation– CNOT-Gate
• Implementation des CNOT-Gate nach Cirac und Zoller (1995)
• Realisierte Variation des Cirac-Zoller-CNOT-Gate (2003)
• Readout• Zusammenfassung
Experimenteller Aufbau und VÜ
• Verwendung von 40Ca+-Ionen
• Preparation in den Vibrationsgrundzustand über Doppler cooling (n=10 bis n=30) und danach Sideband cooling (n=0)
• Interner Grundzustand |g˃ durch optisches Pumpen
•Superposition von |g˃ und |e˃ über π-polarisierten Laserpuls
→ Qubit
Structure
[4]
Experimenteller Aufbau und VorüberlegungenExperimenteller Aufbau und VorüberlegungenVibrationsmoden des Ionenstrings1. Center of Mass Mode (= Common Mode)• Energie ärmste Mode → Vorschlag von Cirac und Zoller für Qubit-
Operationen (1995)2. Breathing Mode• unempfindlicher gegenüber externen Heizprozessen z.B. Rauschen → Realisierung des Cirac-Zoller-Gatters (2003)
Qubit-Operationen• Ein-Qubit-Operationen Den Rotationen des Zustandsvektors auf
einer Blochkugel entsprechend z. B. Carrier Transition
• CNOT-Gate = Controlled NOT-GateBestehend aus mindestens 2 Qubits: Control und Target QubitNur wenn sich das Control Qubit im
angeregten Zustand befindet, ändert sich der Zustand des Target Qubits.
|gg˃ → |gg˃
|ge˃ → |ge˃
|eg˃ → |ee˃
|ee˃ → |eg˃
= =
Zerlegung des CNOT-Gate
Hadamard-Operation Phase gate
Hadamard-Operation
-----------------Phase gate-------------------Hadamard-Operation
Laserpulslänge θ= t/Ω(x) mit x= Carrier/Blue Sideband/Red Sideband Transition
Implementation des CNOT-Gate nach Cirac und Zoller (1995)
I. Beide Ionen über Carrier Pulses in Qubitsuperposition der Form
Implementation des CNOT-Gate nach Cirac und Zoller (1995)
Eigentliche CNOT-Operation:
1.Laserpuls:
Auf 2. Qubit: Carrier transition
Implementation des CNOT-Gate nach Cirac und Zoller (1995)
Phase Gate:
1. Schritt: auf Qubit 1:
1.Red Sideband Transition
= Kopie des 1. Qubitzustands auf die Vibrationsmode (=Datenbus)
Implementation des CNOT-Gate nach Cirac und Zoller (1995)
Phase gate:
2.Schritt: auf 2. Qubit: 2π-Rabi-Puls auf dem 1. Red Sideband mit
Phaseshift π
Problem:Problem: √2π-offene Schleife
Lösung:Lösung: Anregung über 3.Hilfszustand |i˃
→ geschlossene Schleife
→ Kopplung des internal state des 2. Qubits mit der Vibrationsmode
Implementation des CNOT-Gate nach Cirac und Zoller (1995)
Phase gate:
3.Schritt: auf 1.Qubit:
1. Red Sideband
5. Laserpuls: Hadamard-Operation auf 2.Qubit (Carriertransition) wie am Anfang →
Kopie der Vibrationsmode auf den Qubitzustand
Realisierte Variation des Cirac-Zoller-CNOT-Gate (2003)
Wesentlicher Unterschied:
Statt eines 3. Hilfszustands erfolgt die Verwendung der composite pulse technique (Sequenz aus aus 4 Laserpulsen)
ReadoutVerwendung der „electron shelving technique“Anregung der 397nm-Transition → Kollaps der |g˃,|e˃ -Superposition→ Projektion auf einen ZustandFluoreszenz nurnur bei Projektion auf |g˃ messbarMessgenauigkeit der Readout-Methode: etwa 99,9%.
Fidelity des gesamten CNOT-Gate mit 2 Ionen liegt bei ca. 80%.
Messungenauigkeit vor allem durch Laserfrequenzrauschen.
Zusammenfassung• Experimenteller Aufbau: Paulfalle, CCD-Kamera• Qubit Operationen
– Ein-Qubit-Operation → Rotation auf der Blochkugel– CNOT-Gate:
• |gg˃ → |gg˃ • |ge˃ → |ge˃ • |eg˃ → |ee˃ • |ee˃ → |eg˃• Implementation des CNOT-Gate nach Cirac und Zoller (1995) durch 5
Laserpulse:
• Realisierte Variation des Cirac-Zoller-CNOT-Gate (2003) unterscheidet sich im Wesentlichen durch eine composite pulse sequence beim phase gate• Readout bei fast 100%
Quellen [1] Exploring the Quantum: atoms, cavities, and photons; by Serge Haroche and Jean-Michel Raimond; Oxford Univ. Press, 2006
[2] Dissertation, Riebe, Universität Innsbruck, 2005
[3] Ion-Trap Quantum Computation, Michael H. Holzscheiter, Los Alamos Science, Number 27, 2002
[4] http://amo.physik.hu-berlin.de/mater/phIV_WS05/QM_teil06.pdf; p143
[5] http://www.physik.uni-wuerzburg.de/fileadmin/11030030/Ewelina/quantencomputer/QC09_JanWerner.pdf
[6] http://gehrcke.de/files/stud/gehrcke_lichtner_bach_vortragQCionen_part_I-II.pdf
[7] http://physik.wikia.com/wiki/Atom-Licht-Wechselwirkung
[8] http://www.soi.wide.ad.jp/class/20050012/slides/01/44.html
[9] http://de.toonpool.com/cartoons/Knoten_128987#img9
[10] http://www.sukhamburg.com/onTEAM/pdf/art_Photonik_04-10.pdf
[11] http://www.physik.uni-wuerzburg.de/fileadmin/11030030/Ewelina/quantencomputer/02_QC_AtomeIonen.pdf
[1] Exploring the Quantum: atoms, cavities, and photons; by Serge Haroche and Jean-Michel Raimond; Oxford Univ. Press, 2006
[2] Dissertation, Riebe, Universität Innsbruck, 2005
[3] Ion-Trap Quantum Computation, Michael H. Holzscheiter, Los Alamos Science, Number 27, 2002
[4] http://amo.physik.hu-berlin.de/mater/phIV_WS05/QM_teil06.pdf; p143
[5] http://www.physik.uni-wuerzburg.de/fileadmin/11030030/Ewelina/quantencomputer/QC09_JanWerner.pdf
[6] http://gehrcke.de/files/stud/gehrcke_lichtner_bach_vortragQCionen_part_I-II.pdf
[7] http://physik.wikia.com/wiki/Atom-Licht-Wechselwirkung
[8] http://www.soi.wide.ad.jp/class/20050012/slides/01/44.html
[9] http://de.toonpool.com/cartoons/Knoten_128987#img9
[10] http://www.sukhamburg.com/onTEAM/pdf/art_Photonik_04-10.pdf
[11] http://www.physik.uni-wuerzburg.de/fileadmin/11030030/Ewelina/quantencomputer/02_QC_AtomeIonen.pdf
Ende
http://www.wasservombesten.de/resources/Cartoon+zu+Leitartikel+Breuer+Spektrum+der+Wissenschaft+-+Quantenradierer+$28zugeschnitten+f.+Internet$29.jpg