Квантово-логическая спектроскопия

Квантово-логическая спектроскопия ( QLS ) — это схема управления ионами, которая отображает квантовую информацию между двумя совместно захваченными видами ионов. Квантовые логические операции позволяют одновременно использовать желаемые свойства каждого вида ионов. Это позволяет работать с ионами и молекулярными ионами, которые имеют сложную структуру внутренних энергетических уровней, что исключает лазерное охлаждение и прямое манипулирование состоянием. QLS был впервые продемонстрирован NIST в 2005 году. QLS был впервые применен для обнаружения состояний в двухатомных молекулах в 2016 году Вольфом и др. а затем применён для манипулирования состоянием и обнаружения двухатомных молекул группой Либфрида в НИСТ в 2017 году.

Обзор

Лазеры используются для объединения внутренних и внешних степеней свободы движения каждого иона. Кулоновское взаимодействие между двумя ионами связывает их движение. Это позволяет передать внутреннее состояние одного иона другому. Вспомогательный «логический ион» обеспечивает охлаждение, подготовку состояния и обнаружение состояния совместно захваченного «спектроскопического иона», который имеет интересующий электронный переход. Логический ион используется для определения и контроля внутреннего и внешнего состояния спектроскопического иона.

Логический ион выбирается так, чтобы он имел простую структуру энергетических уровней, которую можно непосредственно охлаждать лазером, часто это щелочноземельный ион. Логический ион, охлаждаемый лазером, обеспечивает симпатическое охлаждение спектроскопического иона, которому не хватает эффективной схемы лазерного охлаждения. Охлаждение спектроскопического иона уменьшает количество вращательных и колебательных состояний, которые он может занимать. Доступ к остальным состояниям затем осуществляется путем управления переходами стимулированной рамановской спектроскопии с помощью лазера. Свет, используемый для управления этими переходами, далеко не резонансен по сравнению с любыми электронными переходами. Это позволяет контролировать вращательное и колебательное состояние спектроскопических ионов.

До сих пор QLS ограничивался двухатомными молекулами с массой в пределах 1 АМЕ от «логического» иона, охлажденного лазером. Во многом это связано с ухудшением связи двигательных состояний обитателей ионной ловушки по мере увеличения несоответствия масс. Другие методы, более устойчивые к большим несоответствиям масс, лучше подходят для случаев, когда максимальное разрешение QLS не требуется, но чувствительность к одной молекуле все еще желательна.

Протокол государственной передачи

Внутренние состояния каждого иона можно рассматривать как двухуровневую систему, собственные состояния обозначаются $|\uparrow \ \rangle ,$ и $|\downarrow \ \rangle$. Одна из нормальных мод иона выбрана в качестве режима передачи, используемого для отображения состояний. Этот режим движения должен быть общим для обоих ионов, что требует, чтобы оба иона были одинаковыми по массе. Нормальный режим имеет гармонические состояния осциллятора, обозначаемые как $|n\rangle _{m}$, где n — n-й уровень моды m. Волновая функция

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

обозначает как ионы, так и режим переноса в основном состоянии. S и L представляют собой спектроскопию и логический ион. Спектроскопический переход иона спектроскопии затем возбуждается лазером, создавая состояние:

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

Затем на спектроскопический ион воздействует пи-импульс красной боковой полосы, что приводит к состоянию:

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

На этом этапе внутреннее состояние спектроскопического иона было сопоставлено с режимом переноса. Внутреннее состояние иона было связано с его режимом движения. $|\downarrow \ \rangle _{S}|0\rangle _{m}$ состояние не зависит от импульса света, выполняющего эту операцию, потому что состояние $|\uparrow \ \rangle _{S}|-1\rangle _{m}$ не существует. QLS использует это преимущество, чтобы сопоставить состояние спектроскопического иона с режимом передачи. Последний пи-импульс красной боковой полосы подается на логический ион, что приводит к состоянию:

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

Исходное состояние спектроскопического иона отображается на логическом ионе, который затем можно обнаружить.