論文の概要: Direct Nuclear-Level Qubits using Trapped Th-229 Ions: A Platform for Entanglement and Universal Quantum Information Processing

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2508.10626v1
• Date: Thu, 14 Aug 2025 13:25:26 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-08-15 22:24:48.325047
• Title: Direct Nuclear-Level Qubits using Trapped Th-229 Ions: A Platform for Entanglement and Universal Quantum Information Processing
• Title（参考訳）: トラップされたTh-229イオンを用いた直接核レベル量子ビット:絡み合いとユニバーサル量子情報処理のためのプラットフォーム
• Authors: Jingbo Wang, Haixing Miao, Shiqian Ding, Dong E. Liu,
• Abstract要約: トリウム229の低エネルギー異性体遷移は、核物理学と原子物理学のユニークな界面を提供する。 我々は,Th-2293+イオンを高忠実度核レベル量子ビットとして利用するための理論的枠組みを提案する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 3.3446678075435523
• License: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
• Abstract: The low-energy isomeric transition in Thorium-229 offers a unique interface between nuclear and atomic physics, presenting a resource for quantum technologies that is notably resilient to environmental decoherence. While early experiments focused on nuclei in solid-state crystals, the recent advent of a continuous-wave vacuum ultraviolet laser at 148.4~nm now enables direct coherent control of individual trapped Th-229 ions. Building on this breakthrough, we present a theoretical framework for utilizing trapped Th-229^{3+} ions as high-fidelity nuclear-level qubits, wherein quantum state preparation, single-qubit control, and entangling operations based on nuclear energy levels can all be efficiently realized. We analyze a scheme to generate entanglement between the nuclear isomeric states of two ions through phonon-mediated coupling, driven by optimized red- and blue-detuned laser sideband pulses. Our analysis, grounded in realistic experimental parameters, also demonstrates that high-fidelity entanglement is achievable, leveraging the nucleus's intrinsically long coherence times. These results provide a practical roadmap for developing nuclear-based quantum information processors and suggest that entangled nuclear-level qubits could potentially unlock new frontiers in precision metrology.
• Abstract（参考訳）: トリウム229の低エネルギーの異性体遷移は、原子物理学と原子物理学のユニークな界面を提供し、特に環境の脱コヒーレンスに耐性を持つ量子技術の資源を提供する。 初期の実験では固体結晶の原子核に焦点が当てられていたが、最近148.4〜nmの連続マイクロ波真空紫外レーザーの出現により、個々の閉じ込められたTh-229イオンの直接コヒーレント制御が可能になった。 このブレークスルーを基礎として, 閉じ込められたTh-229^{3+イオンを高忠実度核レベル量子ビットとして利用するための理論的枠組みを提案し, 量子状態生成, 単一量子ビット制御, 核エネルギー準位に基づくエンタングリング操作を効率よく実現する。 我々は、最適化された赤色および青色のレーザーサイドバンドパルスによって駆動されるフォノンを介する結合により、2つのイオンの核異性体状態間の絡み合いを発生させる手法を解析した。 我々の分析は、現実的な実験パラメータに基づいており、核の内在的に長いコヒーレンス時間を利用して、高忠実な絡み合いが達成可能であることも示している。 これらの結果は、核ベースの量子情報プロセッサを開発するための実用的なロードマップを提供し、絡み合った核レベルの量子ビットが、精度のメートル法において新しいフロンティアを解き放つ可能性があることを示唆している。

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