論文の概要: Programmable site-selective spin control in rotating Penning-trap ion crystals
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2606.00940v1
- Date: Sun, 31 May 2026 00:53:24 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2026-06-02 21:34:28.991567
- Title: Programmable site-selective spin control in rotating Penning-trap ion crystals
- Title（参考訳）: 回転ペニングトラップイオン結晶におけるプログラム可能なサイト選択スピン制御
- Authors: Nihar Makadia, Julian Y. Z. Jee, Gustavo Café de Miranda, Joseph H. Pham, Michael J. Biercuk, Athreya Shankar, Robert N. Wolf,
- Abstract要約: ペニングトラップの中の大きなイオン結晶は、数百スピンの量子シミュレーションとセンシングのためのプラットフォームを提供する。
ここでは、ペニングトラップで回転する大型9mathrmBe+$結晶上でのプログラム可能なサイト選択スピン制御を示す。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
- License: http://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/
- Abstract: Large ion crystals in Penning traps provide a platform for quantum simulation and sensing with hundreds of spins, but their continuous rigid-body rotation has so far limited flexible local qubit control. Here we demonstrate programmable site-selective spin control across large rotating ${}^{9}\mathrm{Be}^{+}$ crystals in a Penning trap. A tightly focused off-resonant laser beam drives local $R_z$ phase rotations via differential AC Stark shifts. Beam steering synchronised with crystal rotation enables addressing of arbitrary ions throughout the crystal. Ramsey-based characterisation shows $R_z(π)$ gate fidelity of 94.6% and nearest-neighbour crosstalk of 1.2%. We use this capability to prepare spatially structured spin patterns, generating a biskyrmion spin texture in a single-layer crystal, then extending the method to bilayer crystals we perform layer-selective addressing operations. We further demonstrate dual-quadrature Ramsey sensing by imprinting a relative $π/2$ phase shift between spatial sub-ensembles, enabling simultaneous measurement of orthogonal spin components within a single experimental realisation. These results establish programmable local control in large rotating ion crystals, opening new routes for engineering spatially structured quantum states in multidimensional trapped-ion systems.
- Abstract（参考訳）: ペニングトラップの中の大きなイオン結晶は、数百のスピンで量子シミュレーションとセンシングのプラットフォームを提供するが、その連続的な剛体回転は、これまでは柔軟な局所量子ビット制御に限られていた。
ここでは、ペニングトラップにおける大きな回転する${}^{9}\mathrm{Be}^{+}$結晶間のプログラム可能なサイト選択スピン制御を示す。
密集したオフ共鳴レーザービームは、差動交流スタークシフトを介して局所的な$R_z$位相回転を駆動する。
結晶回転と同期したビームステアリングにより、結晶全体の任意のイオンに対処することができる。
Ramseyベースの特徴付けは、R_z(π)$ gate fidelityが94.6%、近辺のクロストークが1.2%であることを示している。
本研究では, 空間構造を有するスピンパターンを合成し, 単層結晶にバイキミオンスピンテクスチャを生成し, 層選択アドレッシング操作を行う2層結晶に拡張する。
さらに、空間的サブアンサンブル間の相対的なπ/2$位相シフトを印加することにより、単一実験実現における直交スピン成分の同時測定を可能にする。
これらの結果は、大きな回転するイオン結晶におけるプログラム可能な局所制御を確立し、多次元捕捉イオン系における空間構造量子状態のための新しい経路を開く。
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