Advanced

Cerium as a quantum state probe for rare-earth qubits in a crystal

Karlsson, Jenny LU (2015)
Abstract (Swedish)
Popular Abstract in Swedish

En indikator-jon för en kvantdator





Ända sedan transistorn uppfanns 1948 har datorer blivit allt mer kraftfulla. Trots den enorma utveckling som skett finns det fortfarande problem som är för svåra för en dator att lösa. Ett exempel är simulering av stora molekyler, t.ex. proteiner, vilket skulle vara användbart inom medicin och biologi, bland annat för att förutsäga hur kroppen reagerar på en viss medicin. Molekyler är så små att kvantmekanikens lagar måste användas för att beräkna vad som händer med dem, men så stora att antalet parametrar som behöver beräknas är för stort för dagens datorer.



Simuleringar av stora kvantsystem är en uppgift en så... (More)
Popular Abstract in Swedish

En indikator-jon för en kvantdator





Ända sedan transistorn uppfanns 1948 har datorer blivit allt mer kraftfulla. Trots den enorma utveckling som skett finns det fortfarande problem som är för svåra för en dator att lösa. Ett exempel är simulering av stora molekyler, t.ex. proteiner, vilket skulle vara användbart inom medicin och biologi, bland annat för att förutsäga hur kroppen reagerar på en viss medicin. Molekyler är så små att kvantmekanikens lagar måste användas för att beräkna vad som händer med dem, men så stora att antalet parametrar som behöver beräknas är för stort för dagens datorer.



Simuleringar av stora kvantsystem är en uppgift en så kallad kvantdator skulle kunna göra mycket lättare än en vanlig dator. En kvantdator fungerar på liknande sätt som en vanlig dator, men dess minsta enheter är enkla kvantsystem, som t.ex. atomer. Två energitillstånd i en atom kan användas för att representera en 1:a respektive en 0:a. Atomens två tillstånd utgör den minsta informationsenheten i en kvantdator, en så kallad kvantbit. Eftersom själva kvantdatorn är uppbyggd av kvantbitar som följer kvantmekanikens lagar, blir simuleringar av andra kvantsystem mycket mindre krävande.



Många olika typer av hårdvara för kvantdatorer har testats världen över, men hittills har bara ett fåtal kvantbitar kunnat skapas och kopplas ihop, och de flesta kvantdatorerna kräver stora laboratorium fyllda med utrustning.



Den här avhandlingen handlar om en viss typ av hårdvara, bestående av joner av jordartsmetaller, som sitter inuti en kristall. Kristallen kyls ner till -270 grader i flytande helium för att få jonerna att sitta alldeles stilla och en laser används för att koda 1:or och 0:or i enskilda joners kvant-tillstånd.



För att kunna använda en kvantdator måste vi kunna läsa ut om kvantbitarna är kodade som en 1:a eller en 0:a. Eftersom en enda jon används för att koda varje kvantbit är det svårt att läsa ut vilket tillstånd kvantbiten är i. Därför vill vi koppla kvantbitarna till en annan typ av joner, av ämnet cerium. Då man lyser på cerium-jonerna med en ultraviolett laser börjar de lysa i blått. Cerium-jonerna kan lysa mycket starkare än de joner vi använder som kvantbitar, så starkt att man kan mäta ljuset som kommer från en enda jon. Cerium-jonen kan då användas som en indikator, som lyser om en viss kvantbit är kodad som en 1:a, men är släckt om den är kodad som en 0:a.



Målet med projektet som ligger till grund för den här avhandlingen har varit att undersöka om det är möjligt att använda cerium som en tillstånds-indikator för en kvantdator. Resultaten visar att kopplingen mellan en cerium-jon och en kvantbit är stark nog för att cerium-jonen ska kunna tändas och släckas beroende på tillståndet hos kvantbiten. I avhandlingen visas också att det finns andra typer av kopplingar mellan cerium-jonerna och kvantbitarna som kan förstöra utläsningen av information. Det kan undvikas genom att använda kvantbitar som sitter på precis rätt avstånd från cerium-jonen.



För att kunna se ljus från en enda cerium-jon inuti en kristall har ett mikroskop utvecklats och testats. Än så länge har försöken att se ljus från en enda cerium-jon inte lyckats. Med vissa förbättringar av mikroskopet finns goda möjligheter att det lyckas inom en snar framtid. (Less)
Abstract
Rare-earth ions doped into a transparent crystal can have optically excited states with coherence times of milliseconds and hyperfine levels with coherence times of hours when cooled down to liquid helium temperatures. This makes them attractive for developing quantum computing hardware.



A quantum transistor can be implemented in a rare-earth-ion-doped crystal by utilizing a dipole blockade effect, where one excited ion prevents nearby ions from being excited. By using single rare-earth ions as qubits, the quantum processor is believed to be scalable to several qubits.



In this thesis a readout mechanism for qubits represented by single ions (Eu or Pr) in a Y2SiO5 crystal is explored. A single cerium... (More)
Rare-earth ions doped into a transparent crystal can have optically excited states with coherence times of milliseconds and hyperfine levels with coherence times of hours when cooled down to liquid helium temperatures. This makes them attractive for developing quantum computing hardware.



A quantum transistor can be implemented in a rare-earth-ion-doped crystal by utilizing a dipole blockade effect, where one excited ion prevents nearby ions from being excited. By using single rare-earth ions as qubits, the quantum processor is believed to be scalable to several qubits.



In this thesis a readout mechanism for qubits represented by single ions (Eu or Pr) in a Y2SiO5 crystal is explored. A single cerium ion, in the same crystal as the qubits, could potentially be used as an indicator ion for non-demolition quantum state detection of the qubits. Cerium has a strong transition with high fluorescence yield which makes it possible to detect single ions. A cerium ion can be controlled by a qubit via the dipole blockade effect, and fluoresce if the qubit is in state |1> but stay dark if the qubit is in state |0>.



Relevant spectroscopic properties of Ce:Y2SiO5 are studied, as well as interactions between cerium ions and qubit ions.



The inhomogeneous and homogeneous linewidth of the Ce:Y2SiO5 4f-5d transition is measured and fluorescence spectra for ions in site 1 and site 2 are characterized. The change in electric dipole moment as a cerium ion is brought to the excited state is measured. The static dipole interaction between a single cerium ion and a qubit ion is shown to be strong enough for efficient qubit readout.



Energy transfer from cerium to qubit ions is investigated. A lower bound on the cerium-qubit distance is found in order to avoid energy transfer.



Satellite lines belonging to cerium-qubit pairs are mapped out.



A microscope set-up is built to detect single ions in a crystal. Single ion detection is believed to be within reach. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
supervisor
opponent
  • Dr. Macfarlane, Roger, IBM Almaden Research Lab, USA
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
Spectroscopy, Quantum Computing, Rare-earth-ion-doped crystals, Microscopy, Fysicumarkivet A:2015:Karlsson
pages
190 pages
defense location
Lecture hall Rydbergsalen, Department of Physics, Professorsgatan 1, Lund University, Faculty of Engineering
defense date
2015-11-27 10:15
ISSN
0281-2762
ISBN
978-91-7623-533-1
language
English
LU publication?
yes
id
9433aa51-4a59-4133-b485-f1025c3d1346 (old id 8163166)
date added to LUP
2015-11-09 10:10:05
date last changed
2016-09-19 08:45:00
@misc{9433aa51-4a59-4133-b485-f1025c3d1346,
  abstract     = {Rare-earth ions doped into a transparent crystal can have optically excited states with coherence times of milliseconds and hyperfine levels with coherence times of hours when cooled down to liquid helium temperatures. This makes them attractive for developing quantum computing hardware. <br/><br>
<br/><br>
A quantum transistor can be implemented in a rare-earth-ion-doped crystal by utilizing a dipole blockade effect, where one excited ion prevents nearby ions from being excited. By using single rare-earth ions as qubits, the quantum processor is believed to be scalable to several qubits.<br/><br>
<br/><br>
In this thesis a readout mechanism for qubits represented by single ions (Eu or Pr) in a Y2SiO5 crystal is explored. A single cerium ion, in the same crystal as the qubits, could potentially be used as an indicator ion for non-demolition quantum state detection of the qubits. Cerium has a strong transition with high fluorescence yield which makes it possible to detect single ions. A cerium ion can be controlled by a qubit via the dipole blockade effect, and fluoresce if the qubit is in state |1&gt; but stay dark if the qubit is in state |0&gt;. <br/><br>
<br/><br>
Relevant spectroscopic properties of Ce:Y2SiO5 are studied, as well as interactions between cerium ions and qubit ions. <br/><br>
<br/><br>
The inhomogeneous and homogeneous linewidth of the Ce:Y2SiO5 4f-5d transition is measured and fluorescence spectra for ions in site 1 and site 2 are characterized. The change in electric dipole moment as a cerium ion is brought to the excited state is measured. The static dipole interaction between a single cerium ion and a qubit ion is shown to be strong enough for efficient qubit readout. <br/><br>
<br/><br>
Energy transfer from cerium to qubit ions is investigated. A lower bound on the cerium-qubit distance is found in order to avoid energy transfer. <br/><br>
<br/><br>
Satellite lines belonging to cerium-qubit pairs are mapped out. <br/><br>
<br/><br>
A microscope set-up is built to detect single ions in a crystal. Single ion detection is believed to be within reach.},
  author       = {Karlsson, Jenny},
  isbn         = {978-91-7623-533-1},
  issn         = {0281-2762},
  keyword      = {Spectroscopy,Quantum Computing,Rare-earth-ion-doped crystals,Microscopy,Fysicumarkivet A:2015:Karlsson},
  language     = {eng},
  pages        = {190},
  title        = {Cerium as a quantum state probe for rare-earth qubits in a crystal},
  year         = {2015},
}