特許 7510566 トラップされたイオンの平衡位置で振動電場の振幅を減少するための方法及びシステム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-06-25

(45)【発行日】2024-07-03

(54)【発明の名称】トラップされたイオンの平衡位置で振動電場の振幅を減少するための方法及びシステム

(51)【国際特許分類】

   G06N 10/40 20220101AFI20240626BHJP

【ＦＩ】

G06N10/40

【請求項の数】 22

(21)【出願番号】P 2023503440

(86)(22)【出願日】2020-07-22

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2023-08-16

(86)【国際出願番号】 SE2020050748

(87)【国際公開番号】W WO2022019815

(87)【国際公開日】2022-01-27

【審査請求日】2023-03-02

(73)【特許権者】

【識別番号】522222788

【氏名又は名称】アルパイン クオンタム テクノロジーズ ゲーエムベーハー

【氏名又は名称原語表記】ＡＬＰＩＮＥ ＱＵＡＮＴＵＭ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥＳ ＧＭＢＨ

(74)【代理人】

【識別番号】100107456

【弁理士】

【氏名又は名称】池田 成人

(74)【代理人】

【識別番号】100162352

【弁理士】

【氏名又は名称】酒巻 順一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100123995

【弁理士】

【氏名又は名称】野田 雅一

(72)【発明者】

【氏名】ヒギンズ， ジェラルド

(72)【発明者】

【氏名】ヘンリッヒ， マルクス

【審査官】福西 章人

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２０１８／００９０３０４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特表２０１８－５１０４９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０２０／００８２２９１（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０６Ｎ ３／００－９９／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

イオントラップの振動電気四極子場のゼロ位置で準静的電気双極子場の大きさを減少する方法であって、前記方法が、
トラッピング電場に１つ又は複数のイオンをトラップするステップであり、前記トラッピング電場が、前記振動電気四極子場を備え、前記トラッピング電場が、前記振動電気四極子場の電場振幅の関数である電場振幅を備える、ステップと、
前記１つ又は複数のトラップされたイオンの１つの平衡位置の変化を誘発し、干渉分光法シーケンスを用いて前記変化を測定するステップであり、
前記トラッピング電場の振幅が第１のトラッピング電場振幅を備えるとき、第１のレーザーパルスを前記１つ又は複数のトラップされたイオンの前記１つに適用することと、
前記トラッピング電場の振幅が前記第１のトラッピング電場振幅と異なる第２のトラッピング電場振幅を備えるとき、第２のレーザーパルスを前記１つ又は複数のトラップされたイオンの前記１つに適用することと、
前記第１及び第２のレーザーパルスの前記適用の後、前記１つ又は複数のトラップされたイオンの前記１つの状態を測定することと、
を含むステップと、
前記干渉分光法シーケンスを複数回繰り返して、前記１つ又は複数のトラップされたイオンの前記状態の複数の測定値を取得するステップと、
前記干渉分光法シーケンスの間、前記１つ又は複数のトラップされたイオンの前記状態の前記複数の測定値に基づいて、前記１つ又は複数のトラップされたイオンが状態を変化する確率を決定するステップと、
前記決定された確率に基づいて前記トラッピング電場を調整し、前記イオントラップの前記振動電気四極子場の前記ゼロ位置で前記準静的電気双極子場の前記大きさを減少するステップと、
を含む方法。

【請求項2】

前記トラッピング電場が、静電場をさらに備え、前記トラッピング電場の振幅が、前記静電場の電場振幅をさらに備える、
請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記干渉分光法シーケンスを繰り返すステップが、
単一のトラップされたイオンに干渉分光法シーケンスを複数回実行することと、
前記振動電気四極子場に複数のイオンをトラップして、前記イオンの各々に前記干渉分光法シーケンスを実行することと、
の一方又は組み合わせによって複数回実行される、
請求項１に記載の方法。

【請求項4】

前記第１のレーザーパルスが、共振ｐｉ／２パルスを備え、前記第２のレーザーパルスが、共振ｐｉ／２パルスを備える、
請求項１又は３に記載の方法。

【請求項5】

前記第１のレーザーパルス及び前記第２のレーザーパルスが、コヒーレントなレーザーパルスであり、前記第１のレーザーパルス及び前記第２のレーザーパルスが、ｐｉ／２の位相差を有する、
請求項４に記載の方法。

【請求項6】

前記第２のレーザーパルスが、前記第１のレーザーパルスの後少なくとも予め定められた遅延で用意される、
請求項１～５のいずれか一項に記載の方法。

【請求項7】

干渉分光法シーケンスを複数回繰り返して、前記イオンの前記状態の複数の測定値を取得するステップと、
前記干渉分光法シーケンスの間、前記イオンの前記状態の前記複数の測定値に基づいて、前記トラップされたイオンが状態を変化する確率を決定するステップと、
が、第１の複数の回数実行され、前記第１の複数の回数におけるこれらのステップの繰り返しごとに、前記第１のレーザーパルスと前記第２のレーザーパルスとの間の異なる位相差が用いられ、
前記トラッピング電場を調整するステップが、前記確率の前記第１の複数の測定値に基づく、
請求項１～３及び６のいずれか一項に記載の方法。

【請求項8】

前記干渉分光法シーケンスを複数回繰り返して、前記イオンの前記状態の複数の測定値を取得するステップと、
前記干渉分光法シーケンスの間、前記イオンの前記状態の前記複数の測定値に基づいて、前記トラップされたイオンが状態を変化する確率を決定するステップと、
が、第２の複数の回数実行され、前記第２の複数の回数におけるこれらのステップの繰り返しごとに、異なるトラップ剛性変化が、前記第１及び第２のレーザーパルスの間に前記トラッピング電場の振幅に適用され、前記トラップ剛性変化が、前記第１のトラッピング電場振幅及び前記第２のトラッピング電場振幅に依存し、
前記トラッピング電場を調整するステップが、前記確率の前記第２の複数の測定値に基づく、
請求項１～７のいずれか一項に記載の方法。

【請求項9】

前記第１の複数の回数の各々のために、
前記干渉分光法シーケンスを複数回繰り返して、前記イオンの前記状態の複数の測定値を取得するステップと、
前記干渉分光法シーケンスの間、前記イオンの前記状態の前記複数の測定値に基づいて、前記トラップされたイオンが状態を変化する確率を決定するステップと、
前記干渉分光法シーケンスを複数回繰り返して、前記イオンの前記状態の複数の測定値を取得するステップと、
前記干渉分光法シーケンスの間、前記イオンの前記状態の前記複数の測定値に基づいて、前記トラップされたイオンが状態を変化する確率を決定するステップと、
が、前記第２の複数の回数繰り返され、その結果、複数の確率が異なる位相差及び異なるトラップ剛性変化の組み合わせで取得され、
前記トラッピング電場を調整するステップが、前記決定された確率のすべてに基づく、
請求項７又は８に記載の方法。

【請求項10】

初回、
前記干渉分光法シーケンスを複数回繰り返して、前記イオンの前記状態の複数の測定値を取得するステップと、
前記干渉分光法シーケンスの間、前記イオンの前記状態の前記複数の測定値に基づいて、前記トラップされたイオンが状態を変化する確率を決定するステップと、
が実行され、前記方法が、第１の方向に沿って前記第１及び第２のレーザーパルスを用意するステップを含み、
次回、
前記干渉分光法シーケンスを複数回繰り返して、前記イオンの前記状態の複数の測定値を取得するステップと、
前記干渉分光法シーケンスの間、前記イオンの前記状態の前記複数の測定値に基づいて、前記トラップされたイオンが状態を変化する確率を決定するステップと、
が実行され、前記方法が、前記第１の方向と異なる第２の方向に沿って前記第１及び第２のレーザーパルスを用意するステップを含み、
前記トラッピング電場を調整するステップが、初回及び次回に決定された前記確率に基づく、
請求項１～９のいずれか一項に記載の方法。

【請求項11】

前記第１及び第２の方向の各々が、
前記振動電気四極子場の完全に面内の方向ベクトルと、
前記振動電気四極子場の面外の成分を有する方向ベクトルと、
の１つを有する、
請求項１０に記載の方法。

【請求項12】

前記第１及び第２の方向が、相互に直交する方向である、
請求項１０又は１１に記載の方法。

【請求項13】

前記方法が、
前記電場振幅が固定電場振幅を備えるとき、第１のレーザーパルスを前記トラップされたイオンに適用し、
前記電場振幅が前記固定電場振幅を備え、前記第２のレーザーパルスが第１の位相と異なる第２の位相を有するとき、第２のレーザーパルスを前記トラップされたイオンに適用し、
前記第１及び第２のレーザーパルスの前記適用の後、前記イオンの状態を測定することによって、
干渉分光法を用いて、遷移共振周波数からのレーザーの離調を測定するステップと、
前記レーザーの前記離調を測定するプロセスを複数回繰り返して、前記イオンの前記状態の複数の測定値を取得するステップと、
前記イオンの前記状態の前記複数の測定値に基づいて、前記トラップされたイオンが所与の状態にある固定電場振幅確率を決定するステップと、
をさらに含み、
前記レーザーの離調が、前記固定電場振幅確率に基づいて与えられる、
請求項１～１２のいずれか一項に記載の方法。

【請求項14】

前記方法が、前記第１及び第２の波形パルスの間で変化する電場振幅で前記トラップされたイオンの前記状態を決定することと、前記固定電場振幅で前記トラップされたイオンの前記状態を決定することと、を交互に行うステップを含む、
請求項１３に記載の方法。

【請求項15】

前記第１のレーザーパルスの適用の間の前記振動電気四極子場の振幅の二乗及び前記第２のレーザーパルスの適用の間の前記振動電気四極子場の振幅の二乗の平均が、動作モードの間、前記イオントラップの前記振動電気四極子場の振幅の二乗に等しい、
請求項１～１４のいずれか一項に記載の方法。

【請求項16】

イオントラップの振動電気四極子場のゼロ位置で準静的電気双極子場の大きさを減少するように構成されるシステムであって、前記システムが、
少なくとも１つのイオンをトラップするためのトラッピング電場を生成するように構成される複数の電極を備え、前記トラッピング電場が、前記振動電気四極子場を備え、前記トラッピング電場が、前記振動電気四極子場の電場振幅の関数である電場振幅を備え、
前記システムが、レーザーパルスを前記トラップされたイオンに適用するように構成される第１のレーザー及び検出器を備え、
前記トラッピング電場の振幅が第１のトラッピング電場振幅を備えるとき、第１のレーザーパルスを前記トラップされたイオンに適用し、前記トラッピング電場の振幅が前記第１のトラッピング電場振幅と異なる第２のトラッピング電場振幅を備えるとき、第２のレーザーパルスを前記トラップされたイオンに適用するように前記レーザーを制御し、
前記第１及び第２のレーザーパルスの前記適用の後、前記イオンの状態を測定するように前記検出器を制御することによって、
前記システムが、少なくとも１つのトラップされたイオンの平衡位置の変化を誘発し、干渉分光法シーケンスを用いて前記変化を測定するために干渉分光法を用いるように構成され、
前記システムが、
前記干渉分光法シーケンスを複数回繰り返して、前記イオンの前記状態の複数の測定値を取得し、
前記干渉分光法シーケンスの間、前記イオンの前記状態の前記複数の測定値に基づいて、前記トラップされたイオンが状態を変化する確率を決定し、
前記確率に基づいて前記トラッピング電場を調整し、前記振動電気四極子場の前記ゼロ位置で前記準静的電気双極子場の前記大きさを減少する、
ようにさらに構成されているシステム。

【請求項17】

ソフトウェア命令を格納したコンピュータ可読媒体であって、前記ソフトウェア命令がプロセッサによって実行されるとき、前記プロセッサに制御信号を生成させ、請求項１６に記載のシステムに、請求項１～１５のいずれか一項に記載の方法を実行させる、コンピュータ可読媒体。

【請求項18】

請求項１６に記載のシステムを備える光クロックシステム。

【請求項19】

請求項１６に記載のシステムを備える量子コンピューティングシステム。

【請求項20】

請求項１６に記載のシステムを備える量子シミュレータシステム。

【請求項21】

請求項１６に記載のシステムを備えるイオントラップ型電場センサシステム。

【請求項22】

請求項１６に記載のシステムを備えるイオントラップ型力センサシステム。

【発明の詳細な説明】

【分野】

【0001】

本開示は、振動電気四極子場のゼロの位置の準静的双極子電場の大きさを減少するための方法、システム及びソフトウェア命令に関するものである。本出願はまた、光クロック、量子コンピューティングシステム、量子シミュレータシステム、イオントラップ型電場センサ、イオントラップ型量子ネットワークノード及びシステムを備えるイオントラップ型力センサに関するものである。特に、この開示は、トラッピング電場において、振動四極子場のゼロの双極子電場の形で、不完全性を識別するために、及び、識別された不完全性を用いて、上述のゼロで双極子場の大きさを減少するために、トラップされたイオンの平衡位置の電場依存を利用することに関するものである。

【概要】

【0002】

本開示の第１の態様によれば、イオントラップの振動電気四極子場のゼロ位置で準静的電気双極子場の大きさを減少する方法が提供され、方法は、トラッピング電場に１つ又は複数のイオンをトラップするステップであり、トラッピング電場は、振動電気四極子場を備え、トラッピング電場は、振動電場の電場振幅の関数である電場振幅を備える、ステップと、１つ又は複数のトラップされたイオンの１つの平衡位置の変化を誘発し、干渉分光法シーケンスを用いて前記変化を測定するステップであり、トラッピング電場の振幅が第１のトラッピング電場振幅を備えるとき、第１のレーザーパルスを１つ又は複数のトラップされたイオンの１つに適用することと、とラッピング電場の振幅が第１の電場振幅と異なる第２のトラッピング電場振幅を備えるとき、第２のレーザーパルスを１つ又は複数のトラップされたイオンの１つに適用することと、第１及び第２のレーザーパルスの適用の後、１つ又は複数のトラップされたイオンの１つの状態を測定することと、を含むステップと、干渉分光法シーケンスを複数回繰り返して、１つ又は複数のトラップされたイオンの状態の複数の測定値を取得するステップと、干渉分光法シーケンスの間、イオンの状態の複数の測定値に基づいて、１つ又は複数のトラップされたイオンが状態を変化する確率を決定するステップと、を含む。

【0003】

１つ又は複数の実施形態において、方法は、決定された確率に基づいてトラッピング電場を調整し、イオントラップの振動電気四極子場のゼロ位置で準静的電気双極子場の大きさを減少するステップをさらに含んでもよい。１つ又は複数の実施形態において、方法は、システムの１つ又は複数のパラメータを調整するステップをさらに含んでもよく、１つ又は複数のトラップされたイオンは、望ましくない電場影響を動作不能にするために実施される。いずれの方法でも、トラップされたイオン又はイオンが干渉分光法シーケンスの間、状態を変化する確率は、イオントラップの振動電気四極子場のゼロで準静的電気双極子場の大きさを表し、問題のシステムに対する影響は、トラッピング電場を調整するか又はシステムのパラメータを調整することによって減少可能である。

【0004】

１つ又は複数の実施形態において、トラップされたイオンが所与の状態にある確率を決定するステップは、干渉分光法シーケンスの間、第１の状態から第２の状態へ移動するイオンの統計可能性を計算することを含んでもよい。１つ又は複数の実施形態において、イオンの状態は、対になってない原子価電子がある電子状態を参照してもよい。１つ又は複数の実施形態において、イオンの状態は、原子イオン内の１つ又は複数の原子価電子の電子状態又は分子イオンの分子軌道状態を参照してもよい。１つ又は複数の実施形態において、イオンの状態は、原子イオンの原子超微細状態又は分子イオンの分子超微細状態を参照してもよい。１つ又は複数の実施形態において、電場を調整するステップは、１つ又は複数の補償電極に印加される電圧を変えることと、トラッピング電場を生成するように構成される１つ又は複数の電極を移動することと、トラッピング電場を生成するように構成される１つ又は複数の電極の電圧を変えることと、のうちの１つ又は複数を含んでもよい。

【0005】

１つ又は複数の実施形態において、トラッピング電場は、静電場をさらに備えてもよく、とラッピング電場の振幅は、静電場の電場振幅をさらに備える。

【0006】

１つ又は複数の実施形態において、干渉分光法シーケンスを繰り返すステップは、同じトラップされたイオンに干渉分光法シーケンスを複数回実行することと、振動電場に複数のイオンをトラップして、イオンの各々に干渉分光法シーケンスを実行することと、の一方又は組み合わせによって複数回実行されてもよい。

【0007】

１つ又は複数の実施形態において、第１のレーザーパルスは共振ｐｉ／２パルスを備えてもよく、第２のレーザーパルスは共振ｐｉ／２パルスを備えてもよい。

【0008】

１つ又は複数の実施形態において、第１のレーザーパルス及び第２のレーザーパルスは、コヒーレントなレーザーパルスでもよく、第１のレーザーパルス及び第２のレーザーパルスは、ｐｉ／２の位相差を有してもよい。

【0009】

１つ又は複数の実施形態において、第２のレーザーパルスは、第１のレーザーパルスの後少なくとも予め定められた遅延で用意されてもよい。

【0010】

１つ又は複数の実施形態において、干渉分光法シーケンスを複数回繰り返して、イオンの状態の複数の測定値を取得するステップと、干渉分光法シーケンスの間、イオンの状態の複数の測定値に基づいて、トラップされたイオンが状態を変化する確率を決定するステップと、は、第１の複数の回数実行されてもよく、第１の複数の回数におけるこれらのステップの繰り返しごとに、第１のレーザーパルスと第２のレーザーパルスとの間の異なる位相差が用いられ、トラッピング電場を調整するステップは、確率の第１の複数の測定値に基づいてもよい。

【0011】

１つ又は複数の実施形態において、干渉分光法シーケンスを複数回繰り返して、イオンの状態の複数の測定値を取得するステップと、干渉分光法シーケンスの間、イオンの状態の複数の測定値に基づいて、トラップされたイオンが状態を変化する確率を決定するステップと、は、第２の複数の回数実行されてもよく、第２の複数の回数におけるこれらのステップの繰り返しごとに、異なるトラップ剛性変化は、第１及び第２のレーザーパルスの間にトラッピング電場の振幅に適用され、トラップ剛性変化は、第１の電場振幅と第２の電場振幅との間に差に依存し、トラッピング電場を調整するステップは、確率の第２の複数の測定値に基づいてもよい。

【0012】

１つ又は複数の実施形態において、第１の複数の回数の各々のために、干渉分光法シーケンスを複数回繰り返して、イオンの状態の複数の測定値を取得するステップと、干渉分光法シーケンスの間、イオンの状態の複数の測定値に基づいて、トラップされたイオンが状態を変化する確率を決定するステップと、干渉分光法シーケンスを複数回繰り返して、イオンの状態の複数の測定値を取得するステップと、干渉分光法シーケンスの間、イオンの状態の複数の測定値に基づいて、トラップされたイオンが状態を変化する確率を決定するステップと、は、第２の複数の回数繰り返されてもよく、その結果、複数の確率が、異なる位相差及び異なるトラップ剛性変化の組み合わせで取得され、トラッピング電場を調整するステップは、決定された確率のすべてに基づいてもよい。

【0013】

１つ又は複数の実施形態において、初回、干渉分光法シーケンスを複数回繰り返して、イオンの状態の複数の測定値を取得するステップと、干渉分光法シーケンスの間、イオンの状態の複数の測定値に基づいて、トラップされたイオンが状態を変化する確率を決定するステップと、が実行され、方法は、第１の方向に沿って第１及び第２のレーザーパルスを用意するステップを含んでもよく、次回、干渉分光法シーケンスを複数回繰り返して、イオンの状態の複数の測定値を取得するステップと、干渉分光法シーケンスの間、イオンの状態の複数の測定値に基づいて、トラップされたイオンが状態を変化する確率を決定するステップと、が実行され、方法が、第１の方向と異なる第２の方向に沿って第１及び第２のレーザーパルスを用意するステップを含んでもよく、トラッピング電場を調整するステップが、初回及び次回に決定された確率に基づいてもよい。第１の時間の干渉分光法シーケンスの複数の繰り返し及び次の時間の干渉分光法シーケンスの複数の繰り返しは、順次実行されてもよく、すなわち、第１の時間の繰り返しのすべてが実行され、続けて、次の時間の繰り返しのすべてが実行されてもよいし、又は、交互に実行されてもよく、すなわち、第１の時間の第１の繰り返しの１つ又は複数が行われ、続けて、次の時間の繰り返しの１つ又は複数が行われ、続けて、第１の時間の繰り返しの１つ又は複数が行われるなどでもよいことを認識されたい。

【0014】

１つ又は複数の実施形態において、第１及び第２の方向の各々は、振動電場の完全に面内の方向ベクトルと、振動電場の面外の成分を有する方向ベクトルと、の１つを有してもよい。これらの実施形態において、方法は、線形ポールトラップとして配置されるシステムによって実行されてもよい。

【0015】

１つ又は複数の実施形態において、第１及び第２の方向は、相互に直交する方向でもよい。

【0016】

１つ又は複数の実施形態において、方法は、電場振幅が固定電場振幅を備え、第１のレーザーパルスが第１の位相を有するとき、第１のレーザーパルスをトラップされたイオンに適用し、電場振幅が固定電場振幅を備え、第２のレーザーパルスが第１の位相と異なる第２の位相を有するとき、第２のレーザーパルスをトラップされたイオンに適用し、第１及び第２のレーザーパルスの適用の後、イオンの状態を測定することによって、干渉分光法を用いて、遷移共振周波数からのレーザーの離調（detuning、デチューニング）を測定するステップと、レーザーの離調を測定するプロセスを複数回繰り返して、イオンの状態の複数の測定値を取得するステップと、イオンの状態の複数の測定値に基づいて、トラップされたイオンが所与の状態にある固定電場振幅確率を決定するステップと、をさらに含み、レーザーの離調は、固定電場振幅確率に基づいて与えられてもよい。

【0017】

１つ又は複数の実施形態において、方法は、第１及び第２の波形パルスの間で変化する電場振幅でトラップされたイオンの状態を決定することと、固定電場振幅でトラップされたイオンの状態を決定することと、を交互に行うステップを含んでもよい。１つ又は複数の実施形態において、電場振幅が変化するか又は固定するかにかかわらず、同じ予め定められた遅延が用いられてもよい。

【0018】

１つ又は複数の実施形態において、第１のレーザーパルスが適用される間のイオントラップの振動電場の振幅の二乗及び第２のレーザーパルスが適用される間のイオントラップの振動電場の振幅の二乗の平均は、動作モードの間、イオントラップの振動電場の振幅の二乗に等しくてもよい。１つ又は複数の実施形態において、イオンの状態は、蛍光検出によって測定されてもよい。１つ又は複数の実施形態において、蛍光検出は、量子論理分光実験の量子論理遷移段階によって先行されてもよい。１つ又は複数の実施形態において、イオントラップは、線形ポールトラップ又はリングポールトラップを備える。

【0019】

本開示の第２の態様によれば、イオントラップの振動電気四極子場のゼロ位置で準静的電気双極子場の大きさを減少するように構成されるシステムが提供され、システムは、１つ又は複数のイオンをトラップするためのトラッピング電場を生成するように構成される複数の電極を備え、トラッピング電場は、振動電気四極子場を備え、トラッピング電場は、振動電場の電場振幅の関数である電場振幅を備え、システムは、レーザーパルスをトラップされたイオンに適用するように構成される第１のレーザー及び検出器を備え、電場振幅が第１の電場振幅を備えるとき、第１のレーザーパルスを１つ又は複数のトラップされたイオンの１つに適用し、電場振幅が第１の電場振幅と異なる第２の電場振幅を備えるとき、第２のレーザーパルスを１つ又は複数のトラップされたイオンの１つに適用するようにレーザーを制御し、第１及び第２のレーザーパルスの適用の後、１つ又は複数のトラップされたイオンの１つの状態を測定するように検出器を制御することによって、システムは、１つ又は複数のトラップされたイオンの１つの平衡位置の変化を誘発し、干渉分光法シーケンスを用いて前記変化を測定するために干渉分光法を用いるように構成され、システムは、干渉分光法シーケンスを複数回繰り返して、１つ又は複数のトラップされたイオンの状態の複数の測定値を取得し、干渉分光法シーケンスの間、イオンの状態の複数の測定値に基づいて、１つ又は複数のトラップされたイオンが状態を変化する確率を決定し、確率に基づいてトラッピング電場を調整し、振動電気四極子場のゼロ位置で準静的電気双極子場の大きさを減少するようにさらに構成されている。

【0020】

第３の態様によれば、ソフトウェア命令を格納したコンピュータ可読媒体が開示され、ソフトウェア命令がプロセッサによって実行されるとき、プロセッサに制御信号を生成させ、第２の態様のシステムに第１の態様の方法を実行させる。

【0021】

本開示の第４の態様によれば、第２の態様のシステムを備える光クロックが提供される。

【0022】

本開示の第５の態様によれば、第２の態様のシステムを備える量子コンピューティングシステムが提供される。

【0023】

本開示の第６の態様によれば、第２の態様のシステムを備える量子シミュレータシステムが提供される。

【0024】

本開示の第７の態様によれば、第２の態様のシステムを備えるイオントラップ型電場センサが提供される。

【0025】

本開示の第８の態様によれば、第２の態様のシステムを備えるイオントラップ型力センサが提供される。

【図面の簡単な説明】

【0026】

以下、１つ又は複数の実施形態は、添付の図面を単に例として参照して記載されている。

【図1】図１Ａ－１Ｂは、イオントラップの振動電場を生成するように構成される電気四極子配置の一例を示す図である。

【図2】図２は、イオントラップの図１Ａ及び図１Ｂの振動電場の時間平均の影響の一例を示す図である。

【図3】図３は、イオントラップの振動電気四極子場のゼロ位置で準静的電気双極子場の大きさを減少する方法の一例の実施形態を示す図である。

【図4】図４は、イオントラップの振動電気四極子場のゼロ位置で準静的電気双極子場の大きさを減少する方法の第２の例の実施形態を示す図である。

【図5】図５は、線形イオントラップを備える一例のシステムを示す図である。

【図6】図６は、実質的に軸線方向に沿って見る図面におけるイオントラップを備える一例のシステムを示す図である。

【図7】図７は、レーザーパルスの一例のパルスシーケンス及び前記パルスシーケンスの間の対応する電場振幅を示す図である。

【図8】図８は、レーザーパルスの間にトラッピング電場振幅を変えないとき、干渉分光法を実行する実験結果を示す図である。

【図9】図９は、レーザーパルスの間にトラッピング電場振幅を変えるとき、干渉分光法を実行する実験結果を示す図である。

【図10】図１０は、φ_ｍｍに応じて、電場オフセットを変えること及びトラップ剛性変化の１次元の実験結果を示す図である。

【図11】図１１は、φ_ｍｍに応じて、電場オフセットを変えること及びトラップ剛性変化の２次元の実験結果を示す図である。

【図12】図１２は、用いられる質問時間に依存して減少可能な、単一方向に沿ったオフセット場の大きさの程度を表現する実験結果を示す図である。

【詳細な説明】

【0027】

イオンは、電場の配置を用いて、イオントラップのさまざまな構成でトラップ可能である。これらの配置は、少なくとも１つの振動電場（例えば、無線周波数、ＲＦ、四極子場）を備えることができ、いくつかの例では、１つの静電場を含むこともできる。図１Ａ－図１Ｂは、イオンがどのように振動電場でトラップされるかの一例を示す。この例では、第１の瞬間で、斜めに対向する電極は、同じ極性に帯電する。図１Ａに示すように、第１の電極対１０１Ａ、１０１Ｂは正に帯電し、第２の電極対１０１Ｃ、１０１Ｄは負に帯電する。正に帯電するイオン１０２を仮定すると、トラップの中心の近くのイオン１０２は、負に帯電する電極１０１Ｃ、１０１Ｄの方へ引きつけられ、イオン１０２は、正に帯電する電極１０１Ａ、１０１Ｂから拒絶される。図１Ｂに示すように、第２の瞬間で、第１の電極対１０１Ａ、１０１Ｂが負に帯電し、第２の電極対１０１Ｃ、１０１Ｄが正に帯電するように、電極１０１Ａ、１０１Ｂ、１０１Ｃ、１０１Ｄの電荷は反対でもよい。これにより、次に、イオンは電極１０１Ａ、１０１Ｂに引きつけられ、電極１０１Ｃ、１０１Ｄから拒絶される。図１Ａの構成と図１Ｂの構成との間を交互にすることによって、図２に単純化して示されるように、イオンが動的にトラップされるように、イオンに作用する時間平均の力は、トラップの中心の方にあってもよい。

【0028】

図１Ａ－図１Ｂに示される例がイオントラップの簡略化した２次元の例であることを認識されたい。３次元のトラッピングを提供するために、図１Ａ－図１Ｂの例の面外にいくつかの異なる選択肢を用いることができる。線形イオントラップの配置において、静（ＤＣ）電場は、３次元のイオンの両側に配置された類似の帯電を有する電極によって生成されてもよい。

【0029】

図２に示されるトラップされたイオンの時間平均の位置は、トラップされたイオンの平衡位置と呼ばれる。トラップされたイオンの平衡位置で、時間平均電場はゼロである。通常、イオントラップは、トラップされたイオンの平衡位置を、振動するトラッピング電場のゼロと一致させるように構成される。トラップの不完全性及び外部の場源は、イオントラップの中心の近くのゆっくり変化する（準静的な）望ましくない双極性電場を引き起こしうる。振動場のゼロ位置での準静的オフセット場により、トラップされたイオンの平衡位置は、

【数1】

によって振動場のゼロからシフトされる。

【0030】

イオンの永続運動によって定義される直交方向がｉの添え字を付けられる場合、ｕ_ｉはｉ方向の振動場のゼロ位置からのイオン平衡位置の変位であり、ｑはイオン電荷であり、Ｅ_ｉはｉ方向の準静的オフセット場の成分であり、ｍはイオン質量であり、ω_ｉはｉ方向のイオンの永続運動の周波数である。その結果、トラップされたイオンは、その平衡位置で振動電場を経験する。この望ましくない振動場により、イオンは、過剰な微動と呼ばれる、振動場の周波数で追加の運動を示す。この望ましくない場はまた、イオンのエネルギー準位のシュタルク効果も悪化させる。

【0031】

イオンの望ましくないオフセット場の影響が正確に測定可能である場合、望ましくないオフセットされた電場に関する情報を決定してもよく、そこから、望ましくないオフセットされた電場を動作不能にするために、システムに変化をもたらすことが可能でもよい。イオンの望ましくないオフセット場の影響が正確に測定可能である場合、これらの影響を減少するためにシステムに変化をもたらしてもよいこともまた可能でもよく、これは望ましくないオフセット場の大きさの減少を含んでもよい。

【0032】

技術、例えば、微動の結果としてイオン蛍光の変調の測定、及び、微動の結果として遷移スペクトルの共振のサイドバンドの強さを測定することを用いて、過剰な微動を測定することができる。しかしながら、上述した技術は、後述するシステム及び方法の技術と比較して、より低い解像度の不利な点を被る。イオン蛍光測定の不利な点の１つは、測定結果が用いたレーザー場の放射圧に感度が高いということである。サイドバンドの方法の不利な点の１つは、一方向の測定結果がオフセット場の成分の符号についてではなく、オフセット場の成分の大きさについての情報を与えるということである。これらの不利な点は、後述する技術にはあてはまらない。

【0033】

後述する技術は、従来の技術を用いて達成されるより短い質問時間で、より高い精度の望ましくないオフセットされた電場の決定を提供することができる。

【0034】

トラッピング場の振幅が変えられるとき、望ましくないオフセット場に感度が高い他の影響は、トラップされたイオン平衡位置の変化である。トラッピング場の振幅の変化によって、イオンの永続周波数は、ω_ｉ１→ω_ｉ２に変化し、イオンの平衡位置は、

【数2】

に変化する。

【0035】

平衡位置のこの変化Δｕは、イメージングシステムを用いて検出可能である。物体面におけるこの種の技術の解像度は、トラップされたイオンの位置が決定可能な解像度によって制限され、その解像度は回折限界である。さらに、この技術は、物体面からのイオンの動きに対する感度がより低く、これは、焦点がぼけることを引き起こす。この技術は、本願明細書において提示される技術より、イオン平衡位置の変化Δｕに対して、及び、それを生じるオフセットされた電場Ｅに対して感度がより低い。

【0036】

図３は、イオンをトラップするのに用いられる振動電場のゼロ位置でのオフセット場の大きさを減少する方法３００を示す。

【0037】

振動電場は、ＲＦ周波数で振動してもよい。しかしながら、振動電場がトラップされたイオンのトラップを維持するのに適している任意の周波数で振動してもよいことを認識されたい。例えば、振動電場は、１０ｋＨｚと１０ＧＨｚとの間の周波数で振動してもよい。いくつかの例において、振動電場は、１と１００ＭＨｚとの間の周波数で振動してもよい。いくつかの例において、振動電場は、５と２０ＭＨｚとの間の周波数で振動してもよい。

【0038】

振動する四極子電場は、図１を参照して記載されているように、４つの電極によって生成されてもよく、４つの電極のうちの正反対である第１の電極対は、各々、第１の電圧を有するように構成され、４つの電極のうち正反対である第２の電極対は、各々、第１の電圧と異なる第２の電圧を有するように構成される。第１の電極対の極性が第２の電極対の極性と反対であるように、すなわち、第１の電極対が正に帯電するとき、第２の電極対は負に帯電し、逆もまた同じであるように、電極は構成される。電極の電位の大きさは、後述するように、動作の間変化してもよい。１つ又は複数の例では、第１の電極対の電圧は、固定値に設定されてもよく、一方、ＲＦ電圧は、第２の電極対に印可される。

【0039】

四極子が電場のタイプの構造を参照するために本願明細書においてしばしば用いられているが、電場の他の配置を実施してもよいことを認識されたい。その代わりに、例えば、八極子電場又はさらにより高い次数を実施してもよい。さらに他の例において、四極子、八極子又はより高い次数の電場の組み合わせを実施してもよい。さらに、電場配置の四極子、八極子又は他の次数の任意の参照は、電場に寄与し、以て、振動電場のゼロの位置で双極子電場の大きさを減少するように構成される１つ又は複数の補償電極の使用を排除しない。

【0040】

振動電場のゼロの位置の双極子のオフセットされた電場の大きさを減少することによって、電場振幅のイオンの平衡位置の依存は減少する。電場振幅の平衡位置の依存を減少することが、イオンの過剰な微動を減少し、イオンの状態の望ましくないシュタルク効果も減少することが有利である。

【0041】

本願明細書において、イオンは、原子イオン又は分子イオンのいずれかを参照してもよく、いずれの場合においても、イオンは、単一の原子価電子又は複数の原子価電子を備えてもよい。イオンは、超微細構造を有してもよい。

【0042】

方法は、トラッピング電場に少なくとも１つのイオンをトラップするステップ３０１を含んでもよく、トラッピング電場は、振動電気四極子場を備え、静的四極子電場をさらに備えてもよい。トラッピング電場は、振動電場の電場振幅及び静電場の電場振幅の関数である電場振幅を備える。このように、トラッピング電場振幅を変えることの参照が振動電場振幅及び静電場振幅の一方又は両方を変えることを参照してもよいことを認識されたい。振動及び静電場振幅は、これらの場を生成するように構成される電極に印加される電圧の振幅を変えることによって変えられてもよい。トラッピング電場振幅の変化によって、イオンの永続周波数は、ω_ｉ１→ω_ｉ２に変化する。このように、式２を参照し、これは、イオン平衡位置の変化Δｕを生じさせる。

【0043】

方法は、少なくとも１つのトラップされたイオンの平衡位置の変化を誘発し、干渉分光法シーケンスを用いて前記変化を測定するステップをさらに含む。式２から分かるように、イオンの永続周波数をω_ｉ１→ω_ｉ２に変えることにより、結果として、オフセットされた電場Ｅが存在する場合、トラップされたイオンの平衡位置のシフトΔｕが生ずる。永続周波数は、トラッピング場を生成する電極に印加された電圧の振幅を変えることによって変えられる。

【0044】

干渉分光法シーケンスを実行することは、トラップされたイオンに第１のレーザーパルスを適用するステップ３０３と、その後、トラップされたイオンに第２のレーザーパルスを適用するステップ３０５と、を含む。レーザーパルスは、１つ又は複数のレーザーによって提供されてもよい。レーザーパルスの適用は、イオンの状態の変化を引き起こす。特に、イオンの２つの異なる状態は、レーザー場が２つの状態を共振して結合するところと考えられてもよい。換言すれば、レーザー場は、２つの状態の間の遷移に共振する。いくつかの例において、イオンは、複数の初期状態で準備されてもよく、レーザーは、複数の初期状態から対応する複数の最終状態への遷移を引き起こしてもよい。

【0045】

方法は、第１及び第２のレーザーパルスの適用の後、イオンの状態を測定するステップ３０７をさらに含む。本願明細書では、状態を測定するステップは、２つの測定値が取得されるように第１及び第２のレーザーパルスの各々の後に個々にではなく、第１及び第２のレーザーパルスの両方の適用の後（すなわち、全パルスシーケンスが完了した後）に実行されるということを認識されたい。干渉分光法の後のイオンの最終状態は、任意の適切な技術を用いて測定可能である。１つ又は複数の実施形態において、イオンの最終状態は、蛍光測定を用いて測定されてもよい。トラップされたイオンの最終状態はまた、量子論理分光法で用いられる技術を用いて測定されてもよく、以て、イオンの状態は、第２のイオンの状態に結合され、第２のイオンの状態の次の蛍光測定は、イオンの状態を明らかにする。イオンによって経験される第１のレーザーパルスの間及び第２のレーザーパルスの間のレーザー場の位相差φは、以下を有するイオンの最終状態を決定する。

【数3】

ここで、ｐ_ｅは励起状態ｅのイオンを発見する確率である。これは理想の関係を記載するが、実験的な不完全性は、パルス長のエラー及びデコヒーレンスを含んでもよく、このように、確率変動は、本当の実験条件では提示された式と異なりうることを認識されたい。位相差φは、
（ｉ）２つのレーザーパルスの間のレーザー場の位相差φ_{ｌａｓｅｒ}を制御すること、及び、
（ｉｉ）２つのレーザーパルスの適用の間にイオンの位置を変えることによって調整されてもよい。イオンがΔｕだけ変位する場合、これは、

【数4】

の位相差に対する寄与を導入し、ここで、ｋ_ｉは、ｉ方向のレーザー場の波ベクトルの成分である。したがって、

【数5】

である。

【0046】

干渉分光法シーケンスが実行されるたびに、その場合のイオンの状態が決定される。少なくとも１つのトラップされたイオンの平衡位置の変化を誘発するステップ及び少なくとも１つのトラップされたイオンの最終状態を測定するステップのプロセスを複数回繰り返すことにより、トラップされたイオンが所与の状態にある確率を計算することができる。少なくとも１つのトラップされたイオンの平衡位置の変化を誘発するステップ及び少なくとも１つのトラップされたイオンの最終状態を測定するステップのプロセスを複数回繰り返すことは、イオンの状態を初期化するステップ３０２と、第１のレーザーパルスを適用するステップ３０３と、第１のトラッピング電場振幅から第２のトラッピング電場振幅にトラッピング電場振幅を変えるステップ３０４と、第２のレーザーパルスを適用するステップ３０５と、トラッピング電場振幅を第１のトラッピング電場振幅に戻すステップ３０６と、イオンの状態を測定するステップ３０７と、のＮ回繰り返されるステップのループとして表現されてもよい。

【0047】

方法３００はまた、トラップされたイオンが所与の状態にある確率を決定するステップ３０８Ａを含む。これは、例えば、イオンの状態がｅである複数の測定値の一部を計算することを含んでもよい。

【0048】

一般に、より低い状態からより高い状態にイオンを励起することについて述べてもよいことを認識されたい。しかしながら、イオンは、同様に、より高い状態からより低い状態に入れられてもよい。さらに、イオンがより高いかより低い状態に入れられるかにかかわらず、いずれかの状態にあるイオンの確率はステップ３０８Ａにおいて決定されてもよい。

【0049】

干渉分光法シーケンスが終了した後のイオンの最終状態は、イオン位置の変化Δｕに依存するので、干渉分光法を用いて過剰な微動を引き起こし、シュタルクシフトを悪化させる望ましくないオフセットされた電場Ｅを測定することができる。第１及び第２のレーザーパルスの間でトラッピング電場振幅を変えることによって、イオンの平衡位置の変化Δｕが誘発され、２つのパルスの間イオンによって経験されるレーザー場の間の位相シフトは、寄与

【数6】

を有する。

【0050】

望ましくないオフセットされた電場Ｅに関する情報は、少なくとも１つのトラップされたイオンの平衡位置の変化Δｕを誘発するステップと、第１及び第２のレーザーパルスを適用するステップ３０３、３０５と、前記変化を複数回測定するステップ３０７と、イオンが所与の状態にある確率を決定するステップ３０８Ａと、によって決定されてもよい。式５及び６を結合して、公知であるか又は個別に決定されてもよい、式の他の変数及び定数を考慮することによって、方向

【数7】

における望ましくないオフセットされた電場Ｅの成分は決定可能である。

【0051】

イオンが所与の状態にある確率を計算した後、方法は、情報の１つ又は複数の部分、例えば、φ_ｍｍ又は方向ｄのＥの成分を計算することができる。方法は、後述するように、イオンが所与の状態にある確率及び／又は計算された情報の１つ又は複数の部分に基づいて、方向ｄのＥの大きさを減少するために、トラッピング電場を調整するステップ３０９を含んでもよい。これは、振動するトラッピング電場のゼロの位置の望ましくないオフセットされた電場Ｅの大きさを減少することができる。

【0052】

トラッピング電場を調整するステップ３０９は、トラッピング電場を生成するように構成される１つ又は複数の電極で静電圧を印加又は変えることと、トラップされたイオンに対して、トラッピング電場を生成するように構成される電極の１つ又は複数を移動することと、１つ又は複数の補償電極で電圧を印加又は変えることによってトラッピング電場を調整することと、トラップされたイオンに対して補償電極の１つ又は複数を移動することと、のうちの１つ又は複数を含んでもよい。

【0053】

上述した対策のいずれかを講じることは、イオンの周りの局所電場を変え、記載されているようにイオンが所与の状態にある確率に基づいて行われた場合、振動するトラッピング電場のゼロの位置の望ましくないオフセットされた電場Ｅの大きさを減少することが有利である。

【0054】

図４は、図３に提示されるシーケンスのより単純なバージョンを示す。第１のレーザーパルスの適用の前のイオンの状態が以前の測定ステップから周知であるので、図４において、初期化ステップ３０２は繰り返されない。これは、イオンが状態｜ｅ＞に励起される確率を決定する（ステップ３０８Ａ）代わりに、その代わりに状態が変化する確率が決定される（ステップ３０８Ｂ）ことを意味する。第１の測定において、イオンが所与の状態にある確率を決定するステップ３０８Ａは、３０８Ａが初期化ステップの後実行されるとき、イオンがその状態を変える確率を決定するステップに直接的に同等でもよいことを認識されたい。

【0055】

導入されてもよい他の簡略化は、シーケンスの間、トラッピング電場の振幅の１つの変化のみの適用である（ステップ３０６は除去される）。この場合、繰り返しは、トラッピング場振幅が減少する（及び、イオンがΔｕだけ変位する）繰り返しとトラッピング場振幅が増加する（及び、イオンが－Δｕだけ変位する）繰り返しとの間で交互に生じてもよい。いずれの場合においても、干渉分光法測定値は、位相オフセットφ_ｍｍ及び－φ_ｍｍそれぞれに対して感度が高い。これは、ステップ３０７の間与えることができる。

【0056】

図５及び図６は、上述した方法を実行するように構成される線形イオントラップ及びレーザー形状を備える一例のシステム５００を示す。図５及び図６において表現される一例のイオントラップは、四極子電場配置を用いた線形イオントラップ５０１を備える。しかしながら、限定されるものではないが、ハイパボリックイオントラップ、線形イオントラップ、リングイオントラップ、円筒イオントラップ、平面イオントラップ、ホイールイオントラップ又はサンドイッチイオントラップのような任意の適切なイオントラップの配置を用いることができることを認識されたい。この例では、^８８Ｓｒ^＋イオン５０２は、線形イオントラップ５０１に限定され、その後記載されている実験的な詳細は^８８Ｓｒ^＋イオンをトラップするのに適している。この配置では、他のイオンを用いることができ、同じか異なる実験的なパラメータを用いて、例えば、異なる電極構成、異なるレーザー装置及び異なるレーザー周波数を用いてイオンをトラップしてもよいことを認識されたい。

【0057】

この例では、電圧は、４つの金でコーティングしたブレード電極５０３に印加され、ｘ及びｙの放射方向にイオンを限定する。これらの４つのブレード電極５０３への電圧は、ｘｙ面に振動電場を生成するように構成される。静電圧は、２つの金でコーティングしたエンドキャップ電極５０４に印可され、ｚ軸線方向にイオンを限定する。他の任意の適切な電極設計を用いてもよい。図面において定義される座標軸は、イオンの永続運動及び電極５０３、５０４の形状によって定義される。このように、電極５０３は、ｘｙ面に振動電場を生成するように構成される。電極５０３はまた、放射モードω_ｘ及びω_ｙの非低下（ｎｏｎ－ｄｅｇｅｎｅｒａｃｙ）を生成する静電場を生成してもよい。ｚ方向に沿って限定を提供する静電場を生成するように構成される電極５０４は、ｚ方向に沿って正反対に配置される。静電場を生成するように構成される電極５０４が正反対の配置で開始してもよいが、これらの電極５０４の正確な相対的な位置は、振動電気四極子場のゼロ位置で準静的電気双極子場の大きさを減少するために調整されてもよいことを認識されたい。電極５０３の相対的な位置はまた、振動電気四極子場のゼロ位置で準静的電気双極子場の大きさを減少するために調整されてもよい。

【0058】

以下のセクションにおいて、方向ベクトルは、フォーマット（ｘ、ｙ、ｚ）で参照される。この例において、３つの６７４ｎｍのレーザービーム５０５が提供され、（０、０、１）、（－１、１、－√２）及び（－１、－１、０）の非正規化の伝搬方向でイオンを照明する。これらの独立して制御可能なレーザービームは、単一レーザーによって提供されてもよいし、又は、複数のレーザーによって提供されてもよい。１つ又は複数の実施形態において、軸線（０、０、１）レーザービーム５０５は、エンドキャップ電極の１つ又は複数のホールを通して伝搬するように構成されてもよい。

【0059】

第１のレーザー、例えば、（－１、－１、０）に沿って配置されるレーザーは、振動電場の面の波数ベクトルｋを有する第１及び第２のレーザーパルスを提供するように構成されてもよい。１つ又は複数の実施形態において、さらなるレーザーは、干渉分光法シーケンスのレーザーパルスを提供するように構成される振動電場の面の他の方向に沿って、又は、その面の成分を有して提供されてもよい。上述したように、レーザー場の波数ベクトルｋが用いられ、そこから、ｄ方向の電場Ｅに関する情報が取得されてもよいとき、イオン５０２が所与の状態にある確率は計算可能である。各レーザーは、１つ又は複数のレーザーパルスシーケンスを別々に提供するように構成され、レーザーパルスが異なるｋ方向に沿って提供されるときイオンが所与の状態にある確率を決定し、異なるｄ方向の電場に関する情報は、オフセットされた電場Ｅの２Ｄ（２次元）又は３Ｄ（３次元）測定が決定可能なように決定されてもよいように、システムは構成されてもよい。測定値が、振動電場の面内の成分ｄ_ＩＩと、振動電場の面外の成分ｄ_Ｌと、を有する方向ｄのオフセット場Ｅに感度が高く、Ｅ_ＩＩの値が、振動電場の面内にあると考えられる場合、方向ｄ_ＩＩの電場の成分を分解することが必要であることを認識されたい。軸線レーザーはまた、図３又は図４の方法３００を用いてｚ方向の望ましくない電場を測定するために用いられてもよい。理想的な線形ポールトラップでは、軸線方向に沿った振動場は存在しないが、その不完全性、例えば、機械加工の不完全性は、軸線方向に沿ったこの種の振動場を引き起こしうることを認識されたい。この望ましくない場は、軸線方向成分を有する波数ベクトルを有するレーザービームを用いて本願明細書において開示される技術を用いて精査されてもよい。望ましくない電場の測定値がｘ、ｙ及びｚ方向において求められる場合、異なる方向ｄが互いに対して直交するように、２つのレーザーパルス及びトラッピング場振幅の変化を提供するように構成されるレーザーが配置されると、特に有利となりうることを認識されたい。異なる方向ｄがイオンの永続運動によって定義されるｘ、ｙ及びｚ軸線に整列するように、１つ又は複数のレーザーパルスシーケンス及びトラッピング場振幅の変化の両方を提供するように構成されるレーザーが配置されると、特に有利となりうる。

【0060】

ドップラー冷却レーザー、例えば、図５の（１、－１、√２）方向のレーザー５０５が提供されてもよい。ドップラー冷却レーザーは、イオンの動きを遅くし、以て、干渉分光法結果が式３によって記載される程度を増加させるように構成されるレーザーを提供するように構成されてもよい。図６の（１、１、０）方向のレーザー５０５のような、システムの放射永続周波数が低下したとき、追加のドップラー冷却レーザービームが使用されてもよい。

【0061】

システム５００のレーザー５０５の１つは、リポンプレーザーを備えてもよい。リポンプレーザーは、ドップラー冷却レーザービームによって駆動される望ましくない状態に対する光ポンピングに対処するように構成されてもよい。システム５００のレーザーの１つは、クエンチレーザーを備えてもよい。クエンチレーザー５０５は、励起状態からグラウンド状態にイオンを遷移するように構成されてもよい。ドップラー冷却、リポンプ及びクエンチレーザービーム５０５は、ともに伝搬するように構成されてもよい。実験的なセットアップの制約のため、イオンへの光アクセスは制限されてもよい。ともに伝搬するレーザービーム５０５を提供することによって、ビームがともに焦束可能となり、以て、利用できるセットアップ空間を効率的に利用することができる。

【0062】

説明の便宜上、特定の例を用いて、ストロンチウム８８イオンは、光ポンピングによってそのグラウンド状態５Ｓ_１／２の特定のサブレベルで初期化されてもよい。６７４ｎｍのレーザー光のパルスは、状態５Ｓ_１／２ｍ_Ｊ＝１／２から４Ｄ_５／２ｍ_Ｊ＝－３／２にイオンを遷移してもよい。１０３３ｎｍのレーザー光のパルスは、４Ｄ_５／２から５Ｐ_３／２にイオンを遷移してもよく、５Ｐ_３／２からイオンは、５Ｓ_１／２のいずれのサブレベルに低下してもよい。最初に状態５Ｓ_１／２ｍ_Ｊ＝－１／２にある場合、プロセスはイオンに影響を及ぼさない。このプロセスを（典型的には１０回）繰り返すことによって、イオンが最初に状態５Ｓ_１／２ｍ_Ｊ＝１／２にある場合、おそらく５Ｓ_１／２ｍ_Ｊ＝－１／２で終わる。１０９２ｎｍのレーザー場は、このプロセスの間オンにされ、状態４Ｄ_３／２に対する光ポンピングを防止する。

【0063】

システム５００はまた、１つ又は複数の補償電極を備えてもよい。補償電極５０６は、システム５００の全トラッピング電場の変化を引き起こすために異なる電圧が印加可能な追加電極を備えてもよい。或いは、補償電極５０６は、システム５００の全トラッピング電場の変化を引き起こすために移動してもよい。１つ又は複数の補償電極５０６の各々は、電圧が印加される一対のロッドを備えてもよい。補償電極５０６のロッドの各々は、振動電場を生成するように構成される電極の１つに隣り合って配置されてもよい。いくつかの実施形態において、補償電極の一対のロッドの第１のロッドは、第１の振動電場生成電極に隣り合って配置されてもよく、補償電極のロッドの一対の第２のロッドは、第２の振動電場生成電極に隣り合って配置されてもよい。第１の対の振動電場生成電極は、印可される固定電圧を有するように構成されてもよく、第２の対の振動電場生成電極は、印可される時間的に変化する電圧を有するように構成されてもよいことを認識されたい。第１の振動電場生成電極は、印可される固定電圧を有するように構成される電極の１つでもよく、第２の振動電場生成電極は、印加される時間的に変化する電圧を有するように構成される電極の１つでもよい。

【0064】

システム５００は、干渉分光法シーケンスの測定ステップ３０７の間、イオン５０２によって放出される光子の数を表す測定値を提供するように構成される光子収集デバイス（図示せず）をさらに備えてもよい。１つ又は複数の実施形態において、光子収集デバイスは、光電子倍増管（ＰＭＴ）を備えてもよいし、又は、他の光子収集デバイスを備えてもよい。

【0065】

上述したように、干渉分光法シーケンスは、イオンの状態の複数の測定値を取得するために複数回繰り返される。次に、トラップされたイオンが所与の状態にある確率が決定可能である。同じイオンの状態を複数回決定することは、イオントラップの単一のトラップされたイオンに干渉分光法シーケンスを繰り返し実行することを含んでもよい。単一のトラップされたイオンに干渉分光法シーケンスを繰り返し実行するステップは、同じトラップされたイオンに干渉分光法シーケンスを複数回実行することを含んでもよいか、又は、トラップの第１のトラップされたイオンに干渉分光法シーケンスを実行し、トラップからそのトラップされたイオンを除去し、同じトラップに新規なイオンをトラップし、次に干渉分光法シーケンスを繰り返すことを含んでもよい。これらの方法の組み合わせをとってもよい。或いは、複数のイオンがイオントラップにトラップされる場合、干渉分光法シーケンスを複数回実行するステップは、複数のトラップされたイオンの各々又はサブセットに実行し、複数の測定値を同時に取得することによって達成されてもよい。方法は、複数のトラップされたイオンに複数回繰り返されてもよく、以て、前記技術の組み合わせを利用することをさらに認識されたい。二準位系｛｜ｇ＞、｜ｅ｝において、状態｜ｇ＞に初期化され、レーザー場共振の｜ｇ＞⇔ｅ＞遷移に対する適用は、状態を結合し、システムの状態を、｜ｇ＞と｜ｇ＞及び｜ｅ＞の重畳状態と状態｜ｅ＞との間で振動させる。ｐｉ／２パルスによって、状態｜ｇ＞又は状態｜ｅ＞は、等しい｜ｇ＞及び｜ｅ＞成分を有する重畳状態に発展する。発生する結果のいずれかが、重畳状態とレーザー場との間の位相関係に依存したとしても、等しい｜ｇ＞及び｜ｅ＞成分を有する重畳状態へのｐｉ／２パルスの適用によって、システムは、状態｜ｇ＞に、状態｜ｅ＞に、｜ｇ＞及び｜ｅ＞の異なる重畳状態に発展してもよいか、又は、同じ重畳状態のままでもよい。

【0066】

図７は、少なくとも１つのトラップされたイオンの平衡位置の変化を誘発し、干渉分光法を用いて前記変化を測定するプロセスのための簡略化した一例のパルスシーケンス７０１を示す。第１の期間７０２において、トラッピング電場振幅が第１の電場振幅７０６である間、システムは、開始状態に初期化される。第２の期間７０３において、トラッピング電場が第１の電場振幅７０６であるとき、ｐｉ／２パルスはイオンに適用される。第３の期間７０４において、トラッピング電場が第１の電場振幅と異なる第２の電場振幅７０７であるとき、第２のｐｉ／２パルスはイオンに適用される。最終的な期間７０５において、電場振幅が第１の電場振幅７０６である間、イオンの状態は検出される。

【0067】

予め定められた遅延は、第１及び第２のレーザーパルスの間に提供されてもよい。予め定められた遅延は、トラッピング電場が、第１の電場振幅から第２の電場振幅に変えられるのに十分な時間でもよい。１つ又は複数の実施形態において、予め定められた時間遅延は、１μｓと２０ｍｓとの間でもよい。予め定められた時間遅延は、５μｓと２０μｓとの間でもよい。予め定められた時間遅延は、１０μｓでもよい。

【0068】

１つ又は複数の実施形態において、第１のレーザーパルス及び第２のレーザーパルスは、コヒーレントなレーザーパルスでもよい。第１及び第２のレーザーパルスは、ｐｉ／２（π／２）の位相差φ_{ｌａｓｅｒ}を有してもよい。

【0069】

より詳しくは、１つ又は複数の実施形態において、第１のレーザーパルスは共振ｐｉ／２パルスを備えてもよく、第２のレーザーパルスは共振ｐｉ／２パルスを備えてもよく、レーザー場の位相間の差はφ_{ｌａｓｅｒ}＝ｐｉ／２でもよい。２つのｐｉ／２パルスを含む実験は、ラムゼー干渉分光法実験と呼ばれてもよい。パルス間の他の位相差が用いられてもよく、例えば、３^＊ｐｉ／２の位相差が用いられてもよいことを認識されたい。レーザー場波数ベクトルｋの方向に沿ったΔｕの大きさがレーザー波長よりはるかに小さく、φ_ｍｍ＜＜２^＊ｐｉのとき、位相差φ_{ｌａｓｅｒ}＝ｐｉ／２又はφ_{ｌａｓｅｒ}＝３^＊ｐｉ／２が用いられるとき、イオンが所与の状態にある確率は、φ_ｍｍの変化に最も強く反応してもよい。なぜなら、この点で、φ_ｍｍに関する確率ｐ_ｅの変化率が最も大きいからである。オフセットされた電場がなく、位相差φ_{ｌａｓｅｒ}＝ｐｉ／２又はφ_{ｌａｓｅｒ}＝３^＊ｐｉ／２が用いられるとき、０．５の確率が予想されてもよい。いくつかの実施形態において、φ_ｍｍ及び、そこから望ましくない電場Ｅについての情報は、第１及び第２のレーザーパルスの間の位相差φ_{ｌａｓｅｒ}がｐｉ／２及び３^＊ｐｉ／２であるとき、イオンが所与の状態にある確率の測定値に基づいて推定されてもよい。位相差がｐｉ／２であるときにイオンが所与の状態にある確率はｐ_ｅと呼ばれ、位相差が３^＊ｐｉ／２であるときにイオンが所与の状態にある確率はｐ_ｅ’と呼ばれる場合、位相φ_ｍｍは、

【数8】

から推定可能である。

【0070】

この方法で測定値の２つのセットを用いたφ_ｍｍの推定は、パルス強度におけるエラーに、及び、デコヒーレンスによって生じるエラーにロバストであるという利点を有しうる。Ｎ／２の繰り返しがｐ_ｅを決定するために行われ、Ｎ／２の繰り返しがｐ_ｅ’を決定するために行われる場合、φ_ｍｍ＜＜２πかつｐ_ｅ≒ｐ_ｅ’≒０．５のとき、不確定性は、Δｐ_ｅ≒Δｐ_ｅ’≒１／√（２Ｎ）であり（通常の近似値を用いた量子投影ノイズに起因）、統計不確定性は、Δφ_ｍｍ≒１／√Ｎである。

【0071】

本願明細書において、位相差が参照される場合、その位相差の単位はラジアンであることを認識されたい。本願明細書において「ラジアン」の省略は、読みやすさの容易さのために、かつ、当業者の実行に従って提供されるものであり、本願明細書において参照される位相差が他の任意の単位で測定されるのを示唆することを意図するわけではない。

【0072】

図８は、トラップされたイオンに実行される干渉分光法のための一例のデータセット８００を示し、第１及び第２のレーザーパルスの間の位相差は、ｘ軸線８０１に沿って提供され、イオンが所与の状態（この場合、状態｜ｅ＞）にある確率は、ｙ軸線８０２に沿って提供される。図８の例において、トラッピング電場振幅変化は、第１及び第２のレーザーパルスの間に提供されなかった。この例では、所与の状態にある確率は、式５から予想されるように、レーザーパルスの間の位相差φ_{ｌａｓｅｒ}に依存する。実験結果は、３つの異なるオフセットされた電場ベクトルＥ（パルスシーケンスの全体にわたって一定に保たれる）によって示され、その値は、補償電極に印加される電圧に依存し、電圧１７．０５Ｖ、１７．８０Ｖ及び１８．５５Ｖが用いられた。したがって、オフセットされた電場Ｅが図８において測定されるシステムに存在してもよいが、平衡位置の変化Δｕは、この例で誘発されず、それゆえ、望ましくない電場Ｅに関する情報を決定することができない。

【0073】

図９もまた、トラップされたイオンに実行される干渉分光法のための一例のデータセット９００を示し、第１及び第２のレーザーパルスの間の位相差φ_{ｌａｓｅｒ}は、ｘ軸線９０１に沿って提供され、イオンが所与の状態（この場合、状態｜ｅ＞）にある確率が、ｙ軸線９０２に沿って提供される。図９の例において、第１及び第２のレーザーパルスの間のトラッピング電場振幅の変化は、図７の例のパルスシーケンスに示すように提供された。この例では、決定された、イオンが所与の状態にある確率は、異なるオフセットされた電場Ｅで異なり、オフセットされた電場Ｅによって、振動は、位相φ_ｍｍだけシフトされる。

【0074】

図１０は、補償電極に印加される電圧に対する変化及びしたがってオフセットされた電場Ｅに対する変化とともに、位相差φ_ｍｍが、どのように変化するかの結果を表現する例のデータセット１０００を示す。この依存性の結果は、第１のレーザーパルスの適用と第２のレーザーパルスの適用との間にトラッピング電場振幅の３つの異なる変化のために示される。これらの振幅変化は、第１のレーザーパルスの適用と第２のレーザーパルスの適用との間にトラップ電極に適用されるＲＦ信号の電力を変えることによって導入される。６ｄＢ、７ｄＢ及び８ｄＢの電力変化が用いられる。オフセットされた電場Ｅに対するφ_ｍｍの感度が、ＲＦ信号の電力の変化を増加させることによって、及びしたがって、式６における（ω_ｉ２ ^－２－ω_ｉ１ ^－２）に対するその影響に起因して、トラッピング電場振幅の変化を増加させることによって、増強可能であることが分かる。変化（ω_ｉ２ ^－２－ω_ｉ１ ^－２）は、トラップ剛性変化と呼ばれてもよい。３つの空間方向があるので、トラップ剛性変化は３つの成分を有することを認識されたい。例えば、最小ＲＦ電力変化によってもたらされ、ここで表現される最小のトラップ剛性変化のために、広範囲にわたる電圧は、補償電極に印可される電圧を決定するために走査可能であり、ゼロ又はゼロに近い位相φ及びゼロ又はゼロに近い方向ｄに沿ったオフセットされた電場成分を達成し、方向ｄに沿って測定は感度が高い。より大きいトラップ剛性変化を用いると、感度の増強を可能にしうるし、以て、オフセットされた電場Ｅの大きさ及びイオン平衡位置の振動電場の振幅の減少を提供するより最適な補償電極電圧を識別するのを助ける。式５は、周期的であるので、位相差｜φ_ｍｍ｜＞πを測定することができない。したがって、いくつかの例では、大きなトラップ剛性変化でトラップされたイオンが所与の状態にある複数の確率（φ_ｍｍの関数である）を取得することによって提供される感度の増強は、質問されうるオフセットされた電場値の全範囲を減少することを代償にして、行われてもよい。あまりに大きいトラッピング電場振幅の変化を用いる場合、φ_ｍｍ＝０な状況に陥ることは可能であり、その間、測定の感度が高い方向ｄに沿ったオフセットされた電場の大きさは、ゼロから遠く離れ、約１７．７Ｖ．の補償電極電圧を用いた実際の最適トラッピング電場の代わりに、例えば、図１０の約１６．７Ｖ又は１８．７Ｖである。これは、トラップ剛性変化を変えることによって点検可能である。方向ｄに沿ったＥの成分が０である点に到達する場合、すべてのトラップ剛性変化のために、φ_ｍｍ＝０である。

【0075】

実線は、全体に実験データに対するフィットを表現する。位相φ_ｍｍは、補償電極に印加される電圧によって線形に変化する。なぜなら、φ_ｍｍは、方向ｄのオフセット場Ｅの成分に線形に依存し、Ｅの成分は、補償電極に印加される電圧に線形に依存するからである。

【0076】

したがって、いくつかの実施形態において、方法は、干渉分光法シーケンスを繰り返すステップと、トラップされたイオンが干渉分光法シーケンスの間、状態を変化する確率を決定するステップと、を第１の複数の回数含んでもよい。第１の複数の回数におけるステップのこのグループの繰り返しごとに、第１のレーザーパルスと第２のレーザーパルスとの間の異なる位相差φ_{ｌａｓｅｒ}が用いられてもよい。この情報を用いて、図９に示されるようなデータを取得してもよい。トラッピング電場を調整するステップは、トラップされたイオンが所与の状態にある確率の第１の複数の測定値に基づいてもよい。

【0077】

さらに、いくつかの実施形態において、方法は、干渉分光法シーケンスを繰り返すステップと、トラップされたイオンが干渉分光法シーケンスの間、状態を変化する確率を決定するステップと、を第２の複数の回数含んでもよい。第２の複数の回数におけるステップのこのグループの繰り返しごとに、第１のレーザーパルスと第２のレーザーパルスとの間の異なるトラップ剛性変化が用いられてもよい。トラップ剛性変化は、図１０を参照して述べられる第１のレーザーパルスと第２のレーザーパルスとの間に振動場を生成するのに用いられるＲＦ信号の電力のデシベル（ｄＢ）の減衰に関連しうる。トラッピング電場を調整するステップは、トラップされたイオンが所与の状態にある確率の第２の複数の測定値に基づいてもよい。

【0078】

第１及び第２のレーザーパルスの間の位相差φ_{ｌａｓｅｒ}を変化させること、及び、トラップ剛性変化を変化させることは、それぞれ、複数の第１及び第２の回数又は測定値として記載されるが、この命名法は、説明の便宜のために提供されていることを認識されたい。命名法は、複数のトラップ剛性変化の測定値の前に複数の位相の測定が実行されなければならないことを要求するものではないし、又は、測定値の一方のセットが、測定値の他方のセットから情報を取得するため実行するように提供されなければならないことを要求するものでもない。

【0079】

いくつかの実施形態において、第１の複数の回数の各々のために、干渉分光法シーケンスを実行するステップと、トラップされたイオンが所与の状態にある確率を決定するステップと、が実行され、同じステップは、第２の複数の回数繰り返される。このようにして、イオンが所与の状態にある複数の確率は、異なる位相差及び異なるトラップ剛性変化の組み合わせで取得される。トラッピング電場を調整するステップは、次に、決定された確率のすべて又はそれらの確率のサブセットに基づいてもよい。このデータを取得することは、図１０に示されるようなデータの収集及び使用を可能にしてもよい。

【0080】

少なくとも１つのトラップされたイオンの平衡位置の変化Δｕを誘発し、干渉分光法を用いて前記変化を測定し、トラップされたイオンが所与の状態にある確率を決定することは、方向ｄに沿ったオフセットされた電場Ｅに関する情報を提供するということが上述した式において記載及び示されてきた。このため、オフセットされた電場Ｅの大きさの増強された減少を提供するために、１つ又は複数の実施形態において、方法は、第１の方向ｄ_１及び第１の方向と異なる第２の方向ｄ_２の少なくとも各々に沿って、Ｅに感度が高い前記確率を決定する方法を実行するステップを含んでもよい。トラッピング電場を調整するステップは、次に、第１の方向に沿った確率ｐ_１の測定値及び第２の方向に沿った確率ｐ_２の測定値に基づいてもよい。方法は、第３の方向ｄ_３に沿って等しく実施され、第３の方向に沿った確率ｐ_３を決定し、３次元の情報を提供してもよい。

【0081】

第１の方向及び第２の方向は、線形ポールトラップの場合、（－１、－１、０）方向に沿うような、振動電場の完全に面内にある波数ベクトルｋを備えてもよいし、又は、方向（－１、１、－√２）のような、振動電場の面外の成分を有する波数ベクトルｋを備えてもよい。レーザーパルスの方向が振動電場の面外の成分を有する波数ベクトルｋを備える場合、それは、振動電場の面に対する投影を備えてもよい。他の例において、方向ベクトルは、振動電場の面に対する投影を備えなくてもよい。第１及び第２の方向の波数ベクトルｋの間の相対角度は、任意の相対角度でもよいが、いくつかの実施形態において、２つのベクトルの間の角度は直交してもよい。

【0082】

図１１は、ａからｌとしてラベル付けされた複数のサブグラフを示す。サブ図面ｉからｌは、分解サイドバンドの従来の方法によって取得した結果に対応する。サブ図面は、水平方向（ｙ軸線）に沿った電場を生じる補償電極の電圧及び垂直方向（ｘ軸線）電場に沿った電場を生ずる補償電極の電圧を示す。サブ図面ａからｈの各ピクセルの暗さの程度は、図１１の右側に示すように、位相シフトφ_ｍｍの測定値を表現する。図ａ、ｃ、ｅ及びｇは、取得された例の結果を示し、ここで、プローブレーザー、すなわち、第１及び第２のレーザーパルスを提供するレーザーが水平方向（－１、－１、０）に沿って提供される。図ｂ、ｄ、ｆ及びｈは、取得された例の結果を示し、ここで、プローブレーザーは、水平レーザーの方向（－１、－１、０）に対して直交する、振動場の面に対する垂直投影を有する方向（－１、１、－√２）に沿って提供される。図ａ、ｂ、ｅ及びｆは、ω_ｘ及びω_ｙの値がおよそ低下している実験の結果を示す。図１１ａからｈの結果を取得するために、振動四極子場の振幅は変えられ、一方、静的四極子場の振幅は維持された。図ｃ、ｇ、ｄ及びｈは、ω_ｘ及びω_ｙの値が低下していない実験の結果を示す。図ａからｄは、第１のトラップ剛性変化が第１及び第２のレーザーパルスの間で用いられる結果を示し、図ｅからｈは、第２のトラップ剛性変化が用いられる結果を示し、第１のトラップ剛性変化は、第２のトラップ剛性変化より少ない。

【0083】

最初に図１１のサブ図面ａを参照すると、比較的小さいトラップ剛性変化が用いられ、第１及び第２のレーザーパルスが水平方向に沿って提供される結果が提供される。予想されるように、水平方向（ｙ軸線）に沿ってオフセットされた電場振幅の値を変えることは、結果として、φ_ｍｍの位相の変化を生じる。対照的に、位相は、垂直電場を生じる電極の電圧の変化に対して独立しているか、又は、ほぼ独立している。同じ依存性は、サブ図面ｅに見ることができ、電極電圧に対するφ_ｍｍのより高い依存性は、この例で用いられる第１の電場振幅と第２の電場振幅とのより大きい差の結果として見ることができる。これらの結果は、図９及び図１０の結果になぞらえられ、比較可能である。類似の結果は、垂直プローブが用いられて、垂直電場の生成を生じる電極の電圧に対する依存性が明白であるサブ図面ｂ及びｆに見ることができる。

【0084】

図１１のサブ図面ａ、ｅ、ｂ、ｆを参照すると、低下した永続周波数ω_ｘ及びω_ｙによって、位相φ_ｍｍは、補償電極の１つの電圧に強く依存し、他の補償電極の電圧に弱く依存することが分かる。これは、測定感度の方向ｄが補償電極によって生成される電場の方向にほぼ整列するからである。図１１のサブ図面ｃ、ｇ、ｄ及びｈを参照すると、低下していない永続周波数ω_ｘ及びω_ｙによって、位相φ_ｍｍは、補償電極の各々の両方の電圧に依存することが分かる。これは、測定感度の方向ｄが補償電極によって生成される電場の方向にあまり整列しないからである。

【0085】

図１１のサブ図面ａ、ｅ及びｉ又はサブ図面ｃ、ｇ及びｋを参照すると、水平方向に沿った波数ベクトルｋを有するレーザービームが用いられるとき、本願明細書において開示される技術は、Ｅの水平成分に最も感度が高く、一方、従来技術のサイドバンドの方法は、Ｅの垂直成分に最も感度が高い。両方法を用いて、Ｅに関する情報は、単一のレーザービームのみを用いて、２次元で決定されてもよい。これは、限られた光アクセスを有するイオントラップ型システムのために有利である。同様に、図１１のサブ図面ｂ、ｆ及びｊ又はサブ図面ｄ、ｈ及びｌを参照すると、振動場の面に対する垂直投影を有する波数ベクトルｋを有するレーザービームが用いられるとき、本願明細書において開示される技術は、Ｅの垂直成分に最も感度が高く、一方、従来技術のサイドバンドの方法は、Ｅの水平成分に最も感度が高い。

【0086】

図１２は、本願明細書において開示される方法を用いて達成されてもよい単一方向ｄに沿った残留する望ましくない場Ｅの大きさの減少を示す。質問時間の増加とともに、残留する望ましくない電場の大きさは、それが水平になる前に減少する。水平化は、バックグラウンドの電場の時間変化に起因してもよいし、又は、電圧をトラップ電極に印加するのに用いられる電圧源のノイズに起因してもよい。本願明細書において開示される方法を用いて、オフセット場Ｅは、従来技術を用いて達成されたものより単一方向における低い値まで減少する。単一方向に沿ったオフセット場Ｅの大きさはまた、従来技術を用いて達成されたものより高速に減少する。第２のｙ軸線は、振動場のゼロの位置で残留する準静的オフセット場に起因して生ずる、イオン平衡位置で残留する振動場の振幅を示す（第１のｙ軸線に示される）。

【0087】

この種の測定はまた、Ｅの３次元情報を取得するために、ｚ方向に沿ってプローブレーザーを用いて行われてもよいことを認識されたい。

【0088】

異なる時間にオフセット場Ｅを測定することによって、Ｅのドリフトは、時間とともに測定可能である。このドリフトを考慮することによって、オフセット場Ｅの大きさは、さらに減少されうる。

【0089】

いくつかの実施形態において、複数の確率測定が行われている場合、例えば、複数の異なる確率が異なる位相差で測定されているか、又は、異なるトラップ剛性変化で測定されている場合、干渉分光法シーケンスはまた、固定電場振幅を用いて行われてもよい。この種の測定から導出される確率を用いて、遷移共振周波数からレーザー場の時間的に変化する離調を修正してもよい。これによって、φ_ｍｍの推定の系統的オフセットを減少又は修正することができる。

【0090】

１つ又は複数の実施形態において、第１のレーザーパルスが適用される間のイオントラップの振動電場の振幅の二乗及び第２のレーザーパルスが適用される間のイオントラップの振動電場の振幅の二乗の平均は、動作モードの間イオントラップの振動電場の振幅の二乗に等しくてもよい。動作モードは、光クロック又は量子コンピューティングシステムのような、システムが設計される動作モードでもよい。本願明細書において定義される方法は、オフセットされた電場Ｅの大きさ及びしたがってイオンの平衡位置の振動電場の大きさを減少するために提供され、過剰な微動の望ましくない影響を減少し、エネルギー準位のシュタルクシフトを減少することを認識されたい。次に、トラップされたイオンは、多種多様な用途のいずれかにおいて実施されてもよい。この種の用途は、標準のトラッピング電場振幅の下で動作する。振動電場の振幅の二乗は、システムで消費される電力に比例することを理解されたい。電力損失が大きいほど、イオントラップの加熱は大きく、イオントラップの温度の変化は、イオンのトラッピングに影響を与える。このように、オフセットされた電場Ｅの大きさを減少しようとするとき、第１及び第２のレーザーパルスにわたりシステムで消費される平均電力を、その通常の動作モードの間、システムで消費される平均電力に等しくすることによって、温度に対する変化を緩和することは有益となりうる。

【0091】

ソフトウェア命令を格納したコンピュータ可読媒体もまた提供され、ソフトウェア命令がプロセッサによって実行されるとき、プロセッサに制御信号を生成させ、図５及び図６に示されるようなシステムに上述した方法を実行させる。

【0092】

本願明細書において提示される方法及びシステムは、多種多様なシステム、例えば、電場におけるイオンの正確なトラッピングが必要とされる任意のシステムに適用できる。この種の用途は、これらに限定されるものではないが、光クロック、量子コンピューティングシステム、量子シミュレータシステム、イオントラップ型電場センサ及びイオントラップ型力センサを含んでもよい。

【0093】

イオントラップ型システムでは、時間とともに変化するオフセットされた電場によって、トラップされたイオンは、時間とともに変化する過剰な微動の量を経験する。これによって、ひいては、（過剰な微動に起因して）遷移におけるドップラーシフトが時間とともに変化する。さまざまなオフセットされた電場はまた、シュタルクシフトを時間とともに変化させる。１つ又は複数のトラップされたイオンを利用するシステムにおいて、記載されている方法を時々適用することによって、変化するオフセットされた電場を制御して保つことができ、遷移周波数を安定して保つことができる。さらに、過剰な微動の量が変化する場合、レーザー場を用いて遷移を引き起こすことができる強さは、時間とともに変化する。

【0094】

イオントラップ型光クロックは、安定した遷移周波数及びさらに共振シフトについての正確な知識を必要とする。したがって、本開示の方法及び装置は、改善されたイオントラップ型光クロックを提供してもよい。

【0095】

イオントラップ型量子コンピュータ、シミュレータ、ネットワークノード及び力センサにおいて、高忠実度で異なる遷移を引き起こすことを必要とする。遷移の強さが時間とともに変化する場合、動作の忠実度は減少する。また、ドップラーシフト及びシュタルクシフトが時間とともに変化する場合、これによって、共振はシフトし、これはまた、動作の忠実度を減少させる。これは、それらの動作に有害である。したがって、本願明細書において記載されている利点として、本開示の方法及び装置は、改善されたイオントラップ型量子コンピュータ、シミュレータ、ネットワークノード及び力センサを提供してもよい。

【0096】

いくつかの例において、イオントラップの振動電気四極子場のゼロ位置で準静的電気双極子場の大きさを減少するために、決定された確率に基づいてトラッピング電場を調整することが必要でなくてもよい。その代わりに、方法は、干渉分光法シーケンスの間、イオンの状態の複数の測定値に基づいて、トラップされたイオンが状態を変化する確率を決定するステップを含んでもよく、確率は、イオントラップの振動電気四極子場のゼロ位置での準静的電気双極子場Ｅの強さを表し、確率に基づいて、トラップされたイオンが実施されるシステムのパラメータは、望ましくない電場影響を動作不能にするために変化してもよい。トラップされたイオンが実施されるシステムは、任意の関連するシステム、例えば、イオントラップ型光クロック、イオントラップ型量子コンピュータ、シミュレータ、ネットワークノード又は力センサを例えば含む、上述したシステムでもよい。例えば、イオントラップ型光クロックの場合、トラッピング電場を調整する代わりに、レーザー場の周波数及び光クロックの周波数を調整してもよい。同様に、イオントラップ型量子コンピュータ又はシミュレータの場合、トラッピング電場を調整する代わりに、レーザーの周波数を調整してもよく、パルス長を調整してもよい。したがって、複数の干渉分光法シーケンスで決定される確率は、Ｅの大きさを減少するために用いられるよりはむしろ、オフセット場Ｅから生じる影響、例えば、遷移の周波数のドップラーシフトを修正するために用いられてもよいことを認識されたい。
［発明の項目］
［項目１］
イオントラップの振動電気四極子場のゼロ位置で準静的電気双極子場の大きさを減少する方法であって、前記方法が、
トラッピング電場に１つ又は複数のイオンをトラップするステップであり、前記トラッピング電場が、前記振動電気四極子場を備え、前記トラッピング電場が、前記振動電場の電場振幅の関数である電場振幅を備える、ステップと、
前記１つ又は複数のトラップされたイオンの１つの平衡位置の変化を誘発し、干渉分光法シーケンスを用いて前記変化を測定するステップであり、
前記トラッピング電場の振幅が第１のトラッピング電場振幅を備えるとき、第１のレーザーパルスを前記１つ又は複数のトラップされたイオンの前記１つに適用することと、
前記トラッピング電場の振幅が前記第１の電場振幅と異なる第２のトラッピング電場振幅を備えるとき、第２のレーザーパルスを前記１つ又は複数のトラップされたイオンの前記１つに適用することと、
前記第１及び第２のレーザーパルスの前記適用の後、前記１つ又は複数のトラップされたイオンの前記１つの状態を測定することと、
を含むステップと、
前記干渉分光法シーケンスを複数回繰り返して、前記１つ又は複数のトラップされたイオンの前記状態の複数の測定値を取得するステップと、
前記干渉分光法シーケンスの間、前記１つ又は複数のトラップされたイオンの前記状態の前記複数の測定値に基づいて、前記１つ又は複数のトラップされたイオンが状態を変化する確率を決定するステップと、
前記決定された確率に基づいて前記トラッピング電場を調整し、前記イオントラップの前記振動電気四極子場の前記ゼロ位置で前記準静的電気双極子場の前記大きさを減少するステップと、
を含む方法。
［項目２］
前記トラッピング電場が、静電場をさらに備え、前記トラッピング電場の振幅が、前記静電場の電場振幅をさらに備える、
項目１に記載の方法。
［項目３］
前記干渉分光法シーケンスを繰り返すステップが、
単一のトラップされたイオンに干渉分光法シーケンスを複数回実行することと、
前記振動電場に複数のイオンをトラップして、前記イオンの各々に前記干渉分光法シーケンスを実行することと、
の一方又は組み合わせによって複数回実行される、
項目１に記載の方法。
［項目４］
前記第１のレーザーパルスが、共振ｐｉ／２パルスを備え、前記第２のレーザーパルスが、共振ｐｉ／２パルスを備える、
項目１又は３に記載の方法。
［項目５］
前記第１のレーザーパルス及び前記第２のレーザーパルスが、コヒーレントなレーザーパルスであり、前記第１のレーザーパルス及び前記第２のレーザーパルスが、ｐｉ／２の位相差を有する、
項目４に記載の方法。
［項目６］
前記第２のレーザーパルスが、前記第１のレーザーパルスの後少なくとも予め定められた遅延で用意される、
項目１～５のいずれか一項に記載の方法。
［項目７］
干渉分光法シーケンスを複数回繰り返して、前記イオンの前記状態の複数の測定値を取得するステップと、
前記干渉分光法シーケンスの間、前記イオンの前記状態の前記複数の測定値に基づいて、前記トラップされたイオンが状態を変化する確率を決定するステップと、
が、第１の複数の回数実行され、前記第１の複数の回数におけるこれらのステップの繰り返しごとに、前記第１のレーザーパルスと前記第２のレーザーパルスとの間の異なる位相差が用いられ、
前記トラッピング電場を調整するステップが、前記確率の前記第１の複数の測定値に基づく、
項目１～３及び６のいずれか一項に記載の方法。
［項目８］
前記干渉分光法シーケンスを複数回繰り返して、前記イオンの前記状態の複数の測定値を取得するステップと、
前記干渉分光法シーケンスの間、前記イオンの前記状態の前記複数の測定値に基づいて、前記トラップされたイオンが状態を変化する確率を決定するステップと、
が、第２の複数の回数実行され、前記第２の複数の回数におけるこれらのステップの繰り返しごとに、異なるトラップ剛性変化が、前記第１及び第２のレーザーパルスの間に前記トラッピング電場の振幅に適用され、前記トラップ剛性変化が、前記第１のトラッピング電場振幅及び前記第２のトラッピング電場振幅に依存し、
前記トラッピング電場を調整するステップが、前記確率の前記第２の複数の測定値に基づく、
項目１～７のいずれか一項に記載の方法。
［項目９］
前記第１の複数の回数の各々のために、
前記干渉分光法シーケンスを複数回繰り返して、前記イオンの前記状態の複数の測定値を取得するステップと、
前記干渉分光法シーケンスの間、前記イオンの前記状態の前記複数の測定値に基づいて、前記トラップされたイオンが状態を変化する確率を決定するステップと、
前記干渉分光法シーケンスを複数回繰り返して、前記イオンの前記状態の複数の測定値を取得するステップと、
前記干渉分光法シーケンスの間、前記イオンの前記状態の前記複数の測定値に基づいて、前記トラップされたイオンが状態を変化する確率を決定するステップと、
が、前記第２の複数の回数繰り返され、その結果、複数の確率が異なる位相差及び異なるトラップ剛性変化の組み合わせで取得され、
前記トラッピング電場を調整するステップが、前記決定された確率のすべてに基づく、
項目７又は８に記載の方法。
［項目１０］
初回、
前記干渉分光法シーケンスを複数回繰り返して、前記イオンの前記状態の複数の測定値を取得するステップと、
前記干渉分光法シーケンスの間、前記イオンの前記状態の前記複数の測定値に基づいて、前記トラップされたイオンが状態を変化する確率を決定するステップと、
が実行され、前記方法が、第１の方向に沿って前記第１及び第２のレーザーパルスを用意するステップを含み、
次回、
前記干渉分光法シーケンスを複数回繰り返して、前記イオンの前記状態の複数の測定値を取得するステップと、
前記干渉分光法シーケンスの間、前記イオンの前記状態の前記複数の測定値に基づいて、前記トラップされたイオンが状態を変化する確率を決定するステップと、
が実行され、前記方法が、前記第１の方向と異なる第２の方向に沿って前記第１及び第２のレーザーパルスを用意するステップを含み、
前記トラッピング電場を調整するステップが、初回及び次回に決定された前記確率に基づく、
項目１～９のいずれか一項に記載の方法。
［項目１１］
前記第１及び第２の方向の各々が、
前記振動電場の完全に面内の方向ベクトルと、
前記振動電場の面外の成分を有する方向ベクトルと、
の１つを有する、
項目１０に記載の方法。
［項目１２］
前記第１及び第２の方向が、相互に直交する方向である、
項目１０又は１１に記載の方法。
［項目１３］
前記方法が、
前記電場振幅が固定電場振幅を備えるとき、第１のレーザーパルスを前記トラップされたイオンに適用し、
前記電場振幅が前記固定電場振幅を備え、前記第２のレーザーパルスが第１の位相と異なる第２の位相を有するとき、第２のレーザーパルスを前記トラップされたイオンに適用し、
前記第１及び第２のレーザーパルスの前記適用の後、前記イオンの状態を測定することによって、
干渉分光法を用いて、遷移共振周波数からのレーザーの離調を測定するステップと、
前記レーザーの前記離調を測定するプロセスを複数回繰り返して、前記イオンの前記状態の複数の測定値を取得するステップと、
前記イオンの前記状態の前記複数の測定値に基づいて、前記トラップされたイオンが所与の状態にある固定電場振幅確率を決定するステップと、
をさらに含み、
前記レーザーの離調が、前記固定電場振幅確率に基づいて与えられる、
項目１～１２のいずれか一項に記載の方法。
［項目１４］
前記方法が、前記第１及び第２の波形パルスの間で変化する電場振幅で前記トラップされたイオンの前記状態を決定することと、前記固定電場振幅で前記トラップされたイオンの前記状態を決定することと、を交互に行うステップを含む、
項目１３に記載の方法。
［項目１５］
前記第１のレーザーパルスの適用の間の前記振動電場の振幅の二乗及び前記第２のレーザーパルスの適用の間の前記振動電場の振幅の二乗の平均が、動作モードの間、前記イオントラップの前記振動場の振幅の二乗に等しい、
項目１～１４のいずれか一項に記載の方法。
［項目１６］
イオントラップの振動電気四極子場のゼロ位置で準静的電気双極子場の大きさを減少するように構成されるシステムであって、前記システムが、
少なくとも１つのイオンをトラップするためのトラッピング電場を生成するように構成される複数の電極を備え、前記トラッピング電場が、前記振動電気四極子場を備え、前記トラッピング電場が、前記振動電場の電場振幅の関数である電場振幅を備え、
前記システムが、レーザーパルスを前記トラップされたイオンに適用するように構成される第１のレーザー及び検出器を備え、
前記電場振幅が第１の電場振幅を備えるとき、第１のレーザーパルスを前記トラップされたイオンに適用し、前記電場振幅が前記第１の電場振幅と異なる第２の電場振幅を備えるとき、第２のレーザーパルスを前記トラップされたイオンに適用するように前記レーザーを制御し、
前記第１及び第２のレーザーパルスの前記適用の後、前記イオンの前記状態を測定するように前記検出器を制御することによって、
前記システムが、少なくとも１つのトラップされたイオンの平衡位置の変化を誘発し、干渉分光法シーケンスを用いて前記変化を測定するために干渉分光法を用いるように構成され、
前記システムが、
前記干渉分光法シーケンスを複数回繰り返して、前記イオンの前記状態の複数の測定値を取得し、
前記干渉分光法シーケンスの間、前記イオンの前記状態の前記複数の測定値に基づいて、前記トラップされたイオンが状態を変化する確率を決定し、
前記確率に基づいて前記トラッピング電場を調整し、前記振動電気四極子場の前記ゼロ位置で前記準静的電気双極子場の前記大きさを減少する、
ようにさらに構成されているシステム。
［項目１７］
ソフトウェア命令を格納したコンピュータ可読媒体であって、前記ソフトウェア命令がプロセッサによって実行されるとき、前記プロセッサに制御信号を生成させ、項目１６に記載のシステムに、項目１～１５のいずれか一項に記載の方法を実行させる、
コンピュータ可読媒体。
［項目１８］
項目１６に記載のシステムを備える光クロック。
［項目１９］
項目１６に記載のシステムを備える量子コンピューティングシステム。
［項目２０］
項目１６に記載のシステムを備える量子シミュレータシステム。
［項目２１］
項目１６に記載のシステムを備えるイオントラップ型電場センサ。
［項目２２］
項目１６に記載のシステムを備えるイオントラップ型力センサ。

【図1A】

【図1B】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】