Controllo ottico coerente di mille qubit in un cristallo tridimensionale di ioni intrappolati

Abstract degli autori

Le principali piattaforme quantistiche sono perlopiù limitate a una o due dimensioni, mentre i cristalli coulombiani tridimensionali di ioni intrappolati si auto-organizzano in densi array di qubit, senza costi aggiuntivi di riarrangiamento. Il controllo ottico coerente di questi cristalli è tuttavia rimasto fuori portata, perché la transizione ottica si accoppia a quasi tutti i $3N$ modi collettivi, cioè a un bagno quasi-continuo occupato termicamente. In questo lavoro raffreddiamo circa 3.600 modi di un cristallo composto da oltre 1.200 ioni al di sotto dell’occupazione di un singolo fonone, usando una banda di raffreddamento continua che copre più di cinque ottave dello spettro vibrazionale, da circa 50 kHz a 2,1 MHz. Il cristallo funge quindi da registro di qubit ottici, consentendo l’inizializzazione globale, la manipolazione coerente e il rilevamento collettivo. Dimostriamo una coerenza ottica dell’insieme di 21,6 millisecondi e riduciamo l’incertezza sulla frequenza della transizione ottica da 389 Hz per un singolo ione a 12 Hz per oltre mille ioni, avvicinandoci alla scalatura prevista in base al rumore di proiezione. Il nostro approccio potrebbe essere esteso a cristalli ancora più grandi, con accoppiamenti many-body mediati da fononi, aprendo una strada verso la metrologia di precisione potenziata dall’entanglement e la simulazione quantistica tridimensionale, in particolare grazie a un’illuminazione sagomata spazialmente per un controllo collettivo risolto per regione.