論文の概要: Quantum Beam-Splitter Cooling and Thermometry in Large Trapped-Ion Crystals

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2606.21357v1
• Date: Fri, 19 Jun 2026 12:01:02 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2026-06-25 14:06:56.248672
• Title: Quantum Beam-Splitter Cooling and Thermometry in Large Trapped-Ion Crystals
• Title（参考訳）: 大型イオン結晶における量子ビームスプリッタ冷却と温度測定
• Authors: Kirthik Rajakumar, Ansh Das, Abhinay Pandey, Athreya Shankar,
• Abstract要約: 本研究では, イオン結晶の質量中心(c.m.)モードを高速に冷却するためのプロトコルを提案し, 特徴付ける。 我々はQBSCと連続したサイドバンド冷却の関連を議論し、最近提案された急速断熱式サーモメトリーとQBSTを比較した。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: We propose and characterize a protocol for rapid near-ground state cooling of the center-of-mass (c.m.) mode of a large trapped ion crystal. When the initial mean thermal occupation of the mode $\bar{n}_i$ is small compared to the number of ions $N$, a red sideband drive implements a beam-splitter type SWAP operation between the mode and the collective spin of the $N$ ions, with the latter effectively serving as a quantum harmonic oscillator. Subsequently, a reset of the spins removes the entropy, leading to near-ground state cooling of the c.m. mode. We term this protocol as quantum beam-splitter cooling (QBSC). We analyze the impact of several practical imperfections on the final temperature achievable under QBSC, including finite ion number, off-resonant carrier and blue-sideband contributions, and the impact of the sideband drives arising from spectator modes. In addition, we outline practical strategies to eliminate the carrier drive. Furthermore, we show that measuring the population statistics of the ions at the end of the SWAP operation can enable near-optimal quantum beam-splitter thermometry (QBST), with the classical Fisher information approaching the quantum Fisher information of a thermal state. We discuss the connection of QBSC with continuous sideband cooling and compare QBST with a recently proposed rapid adiabatic passage-based thermometry scheme. Our work constitutes an example of harnessing many-body effects to open new routes to laser cooling and thermometry in large trapped ion crystals.
• Abstract（参考訳）: 本研究では, イオン結晶の質量中心(c.m.)モードを高速に冷却するためのプロトコルを提案し, 特徴付ける。 モード$\bar{n}_i$の初期平均熱占有がイオン数$N$に比べて小さいとき、赤色側バンドドライブはモードと$N$イオンの集合スピンとの間のビームスプリッター型SWAP演算を実行し、後者は量子調和振動子として有効に機能する。 その後、スピンのリセットによってエントロピーが取り除かれ、c.m.モードの準基底状態が冷却される。 このプロトコルを量子ビームスプリッタ冷却(QBSC)と呼ぶ。 本稿では, 有限イオン数, オフ共振キャリア, ブルーサイドバンドコントリビューションを含むQBSC条件下で達成可能な最終温度に及ぼす実用的不完全性の影響と, オブザーバモードによるサイドバンドドライブの影響を解析する。 さらに,キャリヤ駆動を排除するための実践的戦略を概説する。 さらに、SWAP操作終了時のイオンの個体数統計を計測することで、古典的なフィッシャー情報が熱状態の量子フィッシャー情報に近づき、準最適量子ビームスプリッター温度測定(QBST)が可能となることを示す。 我々はQBSCと連続したサイドバンド冷却の関連を議論し、最近提案された急速断熱式サーモメトリーとQBSTを比較した。 我々の研究は、多体効果を利用して、大きなイオン結晶のレーザー冷却と温度測定への新たな経路を開拓する例である。

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