RSS-ленты
РусскийEnglish
Выпуск 4, 2024
Том год страница
Выпуски Авторы PACS Подписчикам Для авторов

Выпуски

 / 

2022

 / 

Декабрь

←  →

К 100-летию со дня рождения Н.Г. Басова. Конференции и симпозиумы


Методы квантовой логики в ионных стандартах частоты, квантовых вычислителях и современной спектроскопии

 а, б,  а, б, †  а, б
а Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, Ленинский проспект 53, Москва, 119991, Российская Федерация
б Международный центр квантовой оптики и квантовых технологий (Российский квантовый центр), ул. Новая 100, Сколково, Московская обл., 143025, Российская Федерация

Прецизионное лазерное управление квантовыми состояниями одиночных ионов, охлаждённых до низких температур в ловушках, обеспечивает сегодня значительный прогресс в развитии таких физических направлений, как оптические и микроволновые стандарты частоты, квантовые вычисления, а также точные измерения частот переходов для подтверждения основополагающих физических теорий. Пионерские идеи, высказанные в 1960-х годах нобелевским лауреатом Н.Г. Басовым о возможности использования лазеров при создании стандартов частоты, получили мощное развитие: относительная точность стандартов частоты достигла 18-го знака после запятой, а экспериментально продемонстрированное время когерентности узких оптических переходов достигло десятков секунд. В работе представлен выборочный обзор, а также результаты исследований в ФИАН в области использования элементов квантовой логики при воздействии когерентных лазерных импульсов на одиночные ионы. Также обсуждается использование методов квантовой логики в оптических часах на ионе Al+, многозарядном ионе Ar13+, а также в квантовых вычислителях на ионах Ca+ и Yb+.

Текст: pdf (Полный текст предоставляется по подписке)
English fulltext is available at DOI: 10.3367/UFNe.2022.10.039270
Ключевые слова: квантовая логика, ион в ловушке, частота Раби, стандарт частоты, квантовый вычислитель, лазерная спектроскопия
PACS: 03.67.−a, 42.50.−p, 42.62.Eh (все)
DOI: 10.3367/UFNr.2022.10.039270
URL: https://ufn.ru/ru/articles/2022/12/e/
001112544300003
2-s2.0-85182881647
2022PhyU...65.1217K
Цитата: Хабарова К Ю, Заливако И В, Колачевский Н Н "Методы квантовой логики в ионных стандартах частоты, квантовых вычислителях и современной спектроскопии" УФН 192 1305–1312 (2022)
BibTexBibNote ® (generic)BibNote ® (RIS)MedlineRefWorks

Поступила: 1 октября 2022, 3 октября 2022

English citation: Khabarova K Yu, Zalivako I V, Kolachevsky N N “Methods of quantum logic in ion frequency standards, quantum computers, and modern spectroscopy” Phys. Usp. 65 1217–1223 (2022); DOI: 10.3367/UFNe.2022.10.039270

Список литературы (79) ↓ Статьи, ссылающиеся на эту (12) Похожие статьи (5)

  1. Saffman M "Quantum computing with atomic qubits and Rydberg interactions: progress and challenges" J. Phys. B 49 202001 (2016)
  2. Bruzewicz C D et al "Trapped-ion quantum computing: Progress and challenges" Appl. Phys. Rev. 6 021314 (2019)
  3. Flamini F, Spagnolo N, Sciarrino F "Photonic quantum information processing: a review" Rep. Prog. Phys. 82 016001 (2019)
  4. Wolfowicz G et al "Quantum guidelines for solid-state spin defects" Nat. Rev. Mater. 6 906 (2021)
  5. Linke N M et al "Experimental comparison of two quantum computing architectures" Proc. Natl. Acad. Sci. USA 114 3305 (2017)
  6. Kiktenko E O et al "Single qudit realization of the Deutsch algorithm using superconducting many-level quantum circuits" Phys. Lett. A 379 1409 (2015)
  7. Georgescu I "Trapped ion quantum computing turns 25" Nat. Rev. Phys. 2 278 (2020); Georgescu I "40 years of quantum computing" Nat. Rev. Phys. 4 1 (2022)
  8. Degen C L, Reinhard F, Cappellaro P "Quantum sensing" Rev. Mod. Phys. 89 035002 (2017)
  9. Pirandola S et al "Advances in quantum cryptography" Adv. Opt. Photon. 12 1012 (2020)
  10. Yin J et al "Entanglement-based secure quantum cryptography over 1,120 kilometres" Nature 582 501 (2020)
  11. Beloy K et al "Frequency ratio measurements at 18-digit accuracy using an optical clock network" Nature 591 564 (2021)
  12. Arute F et al "Quantum supremacy using a programmable superconducting processor" Nature 574 505 (2019)
  13. Басов Н Г, Прохоров А М "Молекулярный генератор и усилитель" УФН 57 485 (1955)
  14. Basov N G "Semiconductor lasers" Nobel Lecture, December 11, 1964. The Nobel Foundation, https://www.nobelprize.org/uploads/2018/06/basov-lecture.pdf; Basov N G "Semiconductor lasers" Science 149 821 (1965); Басов Н Г "Полупроводниковые квантовые генераторы" УФН 85 585 (1965)
  15. Басов Н Г, Летохов В С "Оптические стандарты частоты" УФН 96 585 (1968); Basov N G, Letokhov V S "Optical frequency standards" Sov. Phys. Usp. 11 855 (1969)
  16. Басов Н Г, Крохин О Н "Условия разогрева плазмы излучением оптического генератора" ЖЭТФ 46 171 (1964); Basov N G, Krokhin O N "Conditions for heating up of a plasma by the radiation from an optical generator" Sov. Phys. JETP 19 123 (1964)
  17. Riehle F Frequency Standards: Basics and Applications (Weinheim: Wiley-VCH, 2004); Пер. на русск. яз., Риле Ф Стандарты частоты. Принципы и приложения (М.: Физматлит, 2009)
  18. Meschede D, Walther H, Müller G "One-atom maser" Phys. Rev. Lett. 54 551 (1985)
  19. "Particle control in a quantum world", The Nobel Prize in Physics 2012. Press release. The Nobel Foundation, https://www.nobelprize.org/uploads/2018/06/press-18.pdf; Пер. на русск. яз., "Управление частицами в квантовом мире" УФН 184 1067 (2014); Wineland D J "Nobel Lecture: Superposition, entanglement, and raising Schrödinger's cat" Rev. Mod. Phys. 85 1103 (2013); Вайнленд Д Дж "О суперпозиции, перепутанности и о том, как вырастить кота Шрёдингера" УФН 184 1089 (2014); Haroche S "Nobel Lecture: Controlling photons in a box and exploring the quantum to classical boundary" Rev. Mod. Phys. 85 1083 (2013); Арош С "Управление фотонами в ящике и изучение границы между квантовым и классическим" УФН 184 1068 (2014)
  20. Schawlow A L, Townes C H "Infrared and optical masers" Phys. Rev. 112 1940 (1958)
  21. Летохов В С, Чеботаев В П Принципы нелинейной лазерной спектроскопии (М.: Наука, 1975); Пер. на англ. яз., Letokhov V S, Chebotayev V P Nonlinear Laser Spectroscopy (Berlin: Springer-Verlag, 1977)
  22. Letokhov V Laser Control of Atoms and Molecules (Oxford: Oxford Univ. Press, 2007)
  23. Alnis J et al "Subhertz linewidth diode lasers by stabilization to vibrationally and thermally compensated ultralow-expansion glass Fabry—Pérot cavities" Phys. Rev. A 77 053809 (2008)
  24. Kessler T et al "A sub-40-mHz-linewidth laser based on a silicon single-crystal optical cavity" Nat. Photon. 6 687 (2012)
  25. Bothwell T et al "Resolving the gravitational redshift across a millimetre-scale atomic sample" Nature 602 420 (2022)
  26. Levine H et al "High-fidelity control and entanglement of Rydberg-atom qubits" Phys. Rev. Lett. 121 123603 (2018)
  27. Kolachevsky N et al "Low phase noise diode laser oscillator for 1S-2S spectroscopy in atomic hydrogen" Opt. Lett. 36 4299 (2011)
  28. Hald J, Ruseva V "Efficient suppression of diode-laser phase noise by optical filtering" J. Opt. Soc. Am. B 22 2338 (2005)
  29. Paul W, Raether M "Das elektrische Massenfilter" Z. Phys. 140 262 (1995)
  30. Wineland D J, Drullinger R E, Walls F L "Radiation-pressure cooling of bound resonant absorbers" Phys. Rev. Lett. 40 1639 (1978)
  31. Diedrich F et al "Observation of a phase transition of stored laser-cooled ions" Phys. Rev. Lett. 59 2931 (1987)
  32. Cirac J I, Zoller P "Quantum computations with cold trapped ions" Phys. Rev. Lett. 74 4091 (1995)
  33. Sørensen A, Mølmer K "Quantum computation with ions in thermal motion" Phys. Rev. Lett. 82 1971 (1999)
  34. Wineland D J, Dehmelt H Bull. Am. Phys. Soc. 20 637 (1975)
  35. Monroe C et al "Resolved-sideband Raman cooling of a bound atom to the 3D zero-point energy" Phys. Rev. Lett. 75 4011 (1995)
  36. Larson D J et al "Sympathetic cooling of trapped ions: A laser-cooled two-species nonneutral ion plasma" Phys. Rev. Lett. 57 70 (1986)
  37. Brewer S M et al "27Al+ quantum-logic clock with a systematic uncertainty below 10−18" Phys. Rev. Lett. 123 033201 (2019)
  38. Pino J M et al "Demonstration of the trapped-ion quantum CCD computer architecture" Nature 592 209 (2021)
  39. Kozlov M G et al "Highly charged ions: Optical clocks and applications in fundamental physics" Rev. Mod. Phys. 90 45005 (2018)
  40. Párez P et al "The GBAR antimatter gravity experiment" Hyperfine Interact. 233 21 (2015)
  41. Khabarova K et al "Toward a new generation of compact transportable Yb+ optical clocks" Symmetry 14 2213 (2022)
  42. Burt E A et al "Demonstration of a trapped-ion atomic clock in space" Nature 595 43 (2021)
  43. Lacroˆte C et al "Compact Yb+ optical atomic clock project: design principle and current status" J. Phys. Conf. Ser. 723 012025 (2016)
  44. Herschbach N et al "Linear Paul trap design for an optical clock with Coulomb crystals" Appl. Phys. B 107 891 (2012)
  45. Keller J et al Phys. Rev. A 99 013405 (2019)
  46. Dehmelt H G Bull. Am. Phys. Soc. 18 1521 (1973)
  47. Diddams S A et al "An optical clock based on a single trapped 199Hg+ ion" Science 24 881 (1999)
  48. Barwood G P et al "Agreement between two 88Sr+ optical clocks to 4 parts in 1017" Phys. Rev. A 89 050501 (2014)
  49. Rosenband T et al "Frequency ratio of Al+ and Hg+ single-ion optical clocks; metrology at the 17th decimal place" Science 319 1808 (2008)
  50. Huntemann N et al "High-accuracy optical clock based on the octupole transition in 171Yb+" Phys. Rev. Lett. 108 090801 (2012)
  51. Huang Y et al "Frequency comparison of two 40Ca+ optical clocks with an uncertainty at the 10−17 level" Phys. Rev. Lett. 116 013001 (2016)
  52. Chou C W et al "Optical clocks and relativity" Science 329 1630 (2010)
  53. Fischer M et al "New limits on the drift of fundamental constants from laboratory measurements" Phys. Rev. Lett. 92 230802 (2004)
  54. Lange R et al "Improved limits for violations of local position invariance from atomic clock comparisons" Phys. Rev. Lett. 126 11102 (2021)
  55. Schmidt P O et al "Spectroscopy using quantum logic" Science 309 749 (2005)
  56. Golovizin A et al "Inner-shell clock transition in atomic thulium with a small blackbody radiation shift" Nat. Commun. 10 1724 (2019)
  57. Bergquist J C, Itano W M, Wineland D J "Recoilless optical absorption and Doppler sidebands of a single trapped ion" Phys. Rev. A 36 428 (1987)
  58. Chou C W et al "Frequency comparison of two high-accuracy Al+ optical clocks" Phys. Rev. Lett. 104 070802 (2010)
  59. Micke P et al "Coherent laser spectroscopy of highly charged ions using quantum logic" Nature 578 60 (2020)
  60. King S A et al "An optical atomic clock based on a highly charged ion" Nature 611 43 (2022)
  61. Herrmann M et al "Feasibility of coherent xuv spectroscopy on the 1S-2S transition in singly ionized helium" Phys. Rev. A 79 052505 (2009)
  62. Opticloc. BMBF project, https://www.opticlock.de/
  63. Cao J et al "A compact, transportable single-ion optical clock with 7.8×10−17 systematic uncertainty" Appl. Phys. B 123 112 (2017)
  64. Hannig S et al "Towards a transportable aluminium ion quantum logic optical clock" Rev. Sci. Instrum. 90 53204 (2019)
  65. Riehle F "Optical clock networks" Nat. Photon. 11 25 (2017)
  66. Rochat P et al "Atomic clocks and timing systems in global navigation satellite systems" Proc. of the 2012 European Navigation Conf. 25 (2012)
  67. Wang P et al "Single ion qubit with estimated coherence time exceeding one hour" Nat. Commun. 12 233 (2021)
  68. DiVincenzo D P "The physical implementation of quantum computation" Fortschr. Phys. 48 771 (2000)
  69. Zhang J et al "Observation of a many-body dynamical phase transition with a 53-qubit quantum simulator" Nature 551 601 (2017)
  70. Turchette Q A et al "Deterministic entanglement of two trapped ions" Phys. Rev. Lett. 81 3631 (1998)
  71. Schmidt-Kaler F et al "Realization of the Cirac—Zoller controlled-NOT quantum gate" Nature 422 408 (2003)
  72. Wright K et al "Benchmarking an 11-qubit quantum computer" Nat. Commun. 10 5464 (2019)
  73. Ryan-Anderson C et al. "Implementing fault-tolerant entangling gates on the five-qubit code and the color code" arXiv:2208.01863
  74. Cross A W et al "Validating quantum computers using randomized model circuits" Phys. Rev. A 100 032328 (2019)
  75. Семериков И А и др "Многочастичные потери в линейной квадрупольной ловушке Пауля" Квантовая электроника 46 935 (2016); Semerikov I A et al "Multiparticle losses in a linear quadrupole Paul trap" Quantum Electron. 46 935 (2016)
  76. Семериков И А и др "Линейная ловушка Пауля для задач квантовой логики" Краткие сообщения по физике ФИАН 47 385 (2020); Semerikov I A et al "Linear Paul trap for quantum logic experiments" Bull. Lebedev Phys. Inst. 47 385 (2020)
  77. Заливако И В и др "Экспериментальное исследование оптического кубита на квадрупольном переходе 435 нм в ионе 171Yb+" Письма в ЖЭТФ 114 53 (2021); Zalivako I V et al "Experimental study of the optical qubit on the 435-nm quadrupole transition in the 171Yb+ ion" JETP Lett. 114 59 (2021)
  78. Семенин Н В и др "Оптимизация достоверности считывания квантового состояния оптического кубита в ионе иттербия 171Yb+" Письма в ЖЭТФ 114 553 (2021); Semenin N V et al "Optimization of the readout fidelity of the quantum state of an optical qubit in the 171Yb+ ion" JETP Lett. 114 486 (2021)
  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 74 (2022); Semenin N V et al "Determination of the heating rate and temperature of an ion chain in a linear Paul trap by the dephasing of Rabi oscillations" JETP Lett. 116 77 (2022)
© Успехи физических наук, 1918–2024
Электронная почта: ufn@ufn.ru Телефоны и адреса редакции О журнале Пользовательское соглашение