Reconstructing the phonon distribution of trapped ions out of the Lamb-Dicke regime

In de microscopische wereld van de kwantumfysica vangen wetenschappers vaak individuele atomen, of ionen, met behulp van onzichtbare elektrische velden. Deze gevangen ionen zitten niet stil; ze trillen heen en weer als kleine gewichtjes aan een veer. In de taal van de kwantummechanica zijn deze trillingen niet slechts continue bewegingen, maar komen ze voor in discrete pakketjes energie die fononen worden genoemd. Het aantal van deze pakketjes bepaalt de toestand van de beweging van het ion. Decennialang hebben onderzoekers deze trillende ionen gebruikt als fundament voor het bouwen van kwantumcomputers en het simuleren van complexe fysieke systemen. Om deze machines te laten werken, moeten wetenschappers precies weten hoeveel fononen er aanwezig zijn in de trilling. Echter, een langlopende regel in dit vakgebied, bekend als de Lamb-Dicke-limiet, heeft als een plafond gefunctioneerd. Deze regel stelt dat als een ion te heftig trilt — wat betekent dat het te veel fononen heeft — de standaardinstrumenten die worden gebruikt om ze te tellen, falen. De relatie tussen de trilling en de meting wordt verwrongen en verwarrend, waardoor het onmogelijk wordt om de ene hoogenergetische toestand van de andere te onderscheiden.

Een team onderzoekers aan de Universiteit van Sydney heeft nu dit plafond doorbroken. Zij hebben een nieuwe methode ontwikkend om de trillingen van gevangen ionen te tellen, zelfs wanneer ze zich ver buiten de grenzen bewegen waar eerdere technieken falen. Door het meetproces te behandelen als een probleem van signaalfiltering, heeft het team een manier ontworpen om onderscheid te maken tussen verschillende aantallen fononen, zelfs wanneer die aantallen zeer groot zijn. Ze slaagden erin de trillingspatronen te reconstrueren van ionen die tot 250 fononen bevatten, een bereik dat voorheen ontoegankelijk was. Deze prestatie stelt wetenschappers in staat om hooggeëxciteerde kwantumtoestanden te observeren en te controleren, wat de deur opent naar krachtigere kwantumsimulaties en nauwkeurigere metingen van tijd en zwaartekracht.

De kern van het probleem ligt in de manier waarop wetenschappers gewoonlijk naar deze ionen "luisteren". Om de fononen te tellen, schijnen onderzoekers doorgaans een laser op het ion. Deze laser interageert met de interne spin van het ion, een eigenschap die vergelijkbaar is met een klein magnetisch naaldje, en met de beweging ervan. In het verleden vertrouwden wetenschappers op een eenvoudige relatie: de sterkte van de interactie zou op een voorspelbare, rechtlijnige manier veranderen naarmate het aantal fononen toenam. Dit werkte goed voor kleine aantallen trillingen. Maar naarmate het aantal fononen groeide, vervormde deze relatie. De interactiestuik werd een complex, golvend patroon, waardoor verschillende aantallen fononen bijna identieke signalen produceerden. Het werd als het proberen te identificeren van een persoon in een menigte op basis van hun lengte, om er vervolgens achter te komen dat veel mensen van verschillende lengtes op exact dezelfde plek stonden door een perspectivische truc. De metingen werden ambigu en de wiskunde die werd gebruikt om het aantal trillingen uit de data terug te rekenen, werd instabiel en foutgevoelig.

Om dit op te lossen, stopten de onderzoekers ermee om de oude, eenvoudige instrumenten te dwingen te werken en ontwierpen ze het meetproces vanaf de grond af aan opnieuw. Ze namen een raamwerk over dat bekend staat als filterfunctie-ontwerp. Stel je voor dat je een specifieke noot probeert te horen in een lawaaierige kamer; je zou dan een filter gebruiken om alles behalve die noot te blokkeren. Het team ontwierp een reeks dergelijke filters, maar in plaats van geluid te blokkeren, blokkeerden zij specifieke aantallen fononen terwijl anderen werden doorgelaten. Ze creëerden deze filters door gebruik te maken van een techniek genaamd composietpulsen. In plaats van een enkele, constante laserpuls uit te stralen, hakten ze het laserlicht in een snelle sequentie van segmenten, elk met een iets andere fase of timing. Door de timing en het aantal van deze segmenten zorgvuldig af te stemmen, konden ze de respons van de laser zo vormgeven dat deze alleen een sterk signaal triggerde voor een zeer nauwe reeks aantal fononen.

De onderzoekers vertrouwden niet op slechts één type filter. Ze combineerden metingen van verschillende soorten laserinteracties, bekend als zijbanden, die op verschillende manieren op de beweging reageren. Het ene type interactie kan gevoelig zijn voor lage aantallen fononen, terwijl een ander type beter is in het onderscheiden van hoge aantallen. Door data van deze verschillende interacties te mengen, bouwden ze een compleet beeld dat in staat was om elk mogelijk aantal fononen in hun doelbereik te onderscheiden. Ze testten deze methode op een enkel ytterbium-ion, gevangen in een vacuümkamer bij kamertemperatuur. Ze bereidden het ion voor in specifieke toestanden, waarbij ze het lieten trillen met exact nul, twintig of zelfs tweehonderdvijftig fononen.

De resultaten waren opmerkelijk. Wanneer ze hun nieuwe methode toepasten, kwamen de gereconstrueerde tellingen met hoge precisie overeen met de voorbereide toestanden, zelfs bij de hoogste energieniveaus. In contrast hiermee, wanneer ze de oude, standaardmethode probeerden zonder deze nieuwe filters, werden de resultaten onbegrijpelijk en onnauwkeurig zodra het aantal fononen ongeveer twintig overschreed. De nieuwe methode bleef betrouwbaar tot wel 250 fononen. Het team demonstreerde ook dat deze techniek de trillingen in de loop van de tijd kan volgen. Ze bereidden een ion voor met 100 fononen en keken hoe het langzaam energie opnam uit de omgeving, een proces dat bekend staat als verhitting. Hun nieuwe filters stelden hen in staat om de verdeling van de fononen in real-time breder en verschuivend te zien, wat bevestigde dat hun methode het dynamische gedrag van deze kwantumsystemen kan vastleggen.

Dit werk is significant omdat het een belangrijke barrière wegneemt voor het gebruik van gevangen ionen voor geavanceerde kwantumtaken. Veel veelbelovende toepassingen, zoals het simuleren van complexe materialen of het verbeteren van de nauwkeurigheid van atoomklokken, vereisen dat ionen zich in hoogenergetische toestanden bevinden. Tot nu toe konden wetenschappers niet betrouwbaar verifiëren of deze toestanden inderdaad waren wat ze beweerden te zijn. Door te bewijzen dat ze de fononverdeling voor willekeurige toestanden over een enorm bereik kunnen reconstrueren, hebben de onderzoekers een robuust instrument geleverd voor de volgende generatie kwantumeperimenten. De methode is niet beperkt tot alleen tellen; het kan ook worden gebruikt om gemengde toestanden te karakteriseren, waarbij het ion zich in een combinatie van verschillende trillingsniveaus bevindt, en om de fundamentele limieten van hoe kwantumsystemen met hun omgeving interageren te bestuderen. Het vermogen om helder in deze hoogenergetische regimes te kijken, betekent dat het potentieel van gevangen ionen als een bron voor kwantumtechnologie niet langer wordt beperkt door de grenzen van de meting.