Advanced

High delity operations in a europium doped inorganic crystal

Helmer, Pernilla LU (2015) FYSK01 20142
Atomic Physics
Department of Physics
Abstract
The computer has since it was invented become a most crucial tool for scientists in all fields. It has however severe limitations when it comes to e.g. simulating quantum systems, a task quantum computers might be able to perform. In this project the possibility to create quantum hardware with the inorganic crystal Y$_2$SiO$_5$ doped with triply charged europium of isotope 151, $^{151}$Eu$^{3+}$ has been investigated. The ground level of Eu, which is a rare-earth element, is denoted $^7$F$_0$ and consists of three hyperfine levels. These have lifetimes of several days at cryogenic temperatures, and the Eu-ions could therefore be used as semi-permanent quantum memory.The aim was to create a prototype qubit, in analogy to a classical bit,... (More)
The computer has since it was invented become a most crucial tool for scientists in all fields. It has however severe limitations when it comes to e.g. simulating quantum systems, a task quantum computers might be able to perform. In this project the possibility to create quantum hardware with the inorganic crystal Y$_2$SiO$_5$ doped with triply charged europium of isotope 151, $^{151}$Eu$^{3+}$ has been investigated. The ground level of Eu, which is a rare-earth element, is denoted $^7$F$_0$ and consists of three hyperfine levels. These have lifetimes of several days at cryogenic temperatures, and the Eu-ions could therefore be used as semi-permanent quantum memory.The aim was to create a prototype qubit, in analogy to a classical bit, and to obtain as high transition fidelity as possible between the two qubit states $\ket0$ and $\ket1$.

Transitions between two of the ground levels and one excited level were used for the two qubit states $\ket0$ and $\ket1$. All ions experience a different crystal field, and thus their transitions are all differently shifted. Any ion with undesired transitions close to the selected frequencies were therefore moved to an auxiliary ground state using spectral hole burning.

The aim of the present work was to achieve more than 99$\%$ transfer efficiency for $^{151}$Eu$^{3+}$ in agreement with simulations. The results were consistently lower than expected, and no transfer efficiency above 98.4$\%$ was attained. This could be explained by flaws in the setup, and successful results are still to hope for. (Less)
Popular Abstract (Swedish)
Kvantdatorn – den nya generationens dator

Datorn är ett föremål som i dagens samhälle finns i nästan varje hem och på varje arbetsplats. Inte minst för vetenskapen har datorn kommit att bli ett essentiellt verktyg för att utföra beräkningar och simuleringar. Men den klassiska datorn har många begränsningar som behöver övervinnas för att människan ska kunna fortsätta förstå och manipulera världen runt omkring sig. För detta krävs någonting kraftfullare än en vanlig dator - en kvantdator.

En universell kvantdator skulle kunna göra allt en vanlig dator kan, och mer. Den vanligaste analogin för att beskriva kvantmekanikens natur är Schrödingers katt. Katten placeras i en låda som sedan stängs. I lådan placeras även en tillsluten burk... (More)
Kvantdatorn – den nya generationens dator

Datorn är ett föremål som i dagens samhälle finns i nästan varje hem och på varje arbetsplats. Inte minst för vetenskapen har datorn kommit att bli ett essentiellt verktyg för att utföra beräkningar och simuleringar. Men den klassiska datorn har många begränsningar som behöver övervinnas för att människan ska kunna fortsätta förstå och manipulera världen runt omkring sig. För detta krävs någonting kraftfullare än en vanlig dator - en kvantdator.

En universell kvantdator skulle kunna göra allt en vanlig dator kan, och mer. Den vanligaste analogin för att beskriva kvantmekanikens natur är Schrödingers katt. Katten placeras i en låda som sedan stängs. I lådan placeras även en tillsluten burk med gift, som vid något slumpmässigt tillfälle kommer att öppnas och förgifta katten. Så snart lådan är stängd kan man ställa sig frågan: lever katten, eller är den död? Så länge lådan inte öppnas kan frågan inte besvaras, och katten kan betraktas som både levande och död på samma gång - katten är i en superposition mellan de båda tillstånden.

För en klassisk dator kommer samma beräkning alltid att ge samma svar. Detta är inte fallet för en kvantdator. Tack vare dess kvantmekaniska natur kan kvantdatorn försättas i en superposition, vilket innebär att flera beräkningar kan utföras samtidig. Detta gör att vissa avancerade simuleringar kan genomföras på en bråkdel av tiden det skulle ta för en klassisk dator att utföra simuleringarna, om de ens vore möjliga att utföra på en klassisk dator. Det ger även möjlighet att generera sanna slumpmässiga tal, och knäcka krypteringar som annars skulle vara omöjliga.

En klassisk dator bygger på att den mest grundläggande byggstenen, en bit, kan anta ett av två värden: 0 eller 1. Den kvantmekaniska motsvarigheten kallas kvantbit, och kan försättas i en superposition av två tillstånd som motsvarar de båda värdena 0 och 1. För att kunna utföra operationer på kvantbiten måste dess tillstånd kunna manipuleras med mycket hög precision.

I det här projektet har europiumjoner ”fångade” i en optiskt transparent kristall använts för att skapa en prototypkvantbit som kan manipuleras med en laser. Enligt simuleringar ska dessa joner kunna manipuleras med mer än 99% effektivitet. Experimentella resultat var konsekvent lägre än simuleringarna förutspådde, och som högst kan 98.5% ha uppnåtts. Det finns dock förklaringar till detta, och ännu gott hopp om bättre resultat som kan ta oss ett litet steg närmre en fungerande kvantdator. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
Helmer, Pernilla LU
supervisor
organization
course
FYSK01 20142
year
type
M2 - Bachelor Degree
subject
keywords
quantum information, Eu, europium, hole burning, quantum memory, qubit
language
English
id
5050653
date added to LUP
2015-04-28 21:15:16
date last changed
2015-07-06 10:56:36
@misc{5050653,
  abstract     = {The computer has since it was invented become a most crucial tool for scientists in all fields. It has however severe limitations when it comes to e.g. simulating quantum systems, a task quantum computers might be able to perform. In this project the possibility to create quantum hardware with the inorganic crystal Y$_2$SiO$_5$ doped with triply charged europium of isotope 151, $^{151}$Eu$^{3+}$ has been investigated. The ground level of Eu, which is a rare-earth element, is denoted $^7$F$_0$ and consists of three hyperfine levels. These have lifetimes of several days at cryogenic temperatures, and the Eu-ions could therefore be used as semi-permanent quantum memory.The aim was to create a prototype qubit, in analogy to a classical bit, and to obtain as high transition fidelity as possible between the two qubit states $\ket0$ and $\ket1$. 

Transitions between two of the ground levels and one excited level were used for the two qubit states $\ket0$ and $\ket1$. All ions experience a different crystal field, and thus their transitions are all differently shifted. Any ion with undesired transitions close to the selected frequencies were therefore moved to an auxiliary ground state using spectral hole burning.

The aim of the present work was to achieve more than 99$\%$ transfer efficiency for $^{151}$Eu$^{3+}$ in agreement with simulations. The results were consistently lower than expected, and no transfer efficiency above 98.4$\%$ was attained. This could be explained by flaws in the setup, and successful results are still to hope for.},
  author       = {Helmer, Pernilla},
  keyword      = {quantum information,Eu,europium,hole burning,quantum memory,qubit},
  language     = {eng},
  note         = {Student Paper},
  title        = {High delity operations in a europium doped inorganic crystal},
  year         = {2015},
}