論文の概要: Coherent optical control of a thousand qubits in a three-dimensional trapped-ion crystal

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2610.17583v1
• Date: Tue, 13 Oct 2026 02:02:17 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2026-10-17 18:18:44.489779
• Title: Coherent optical control of a thousand qubits in a three-dimensional trapped-ion crystal
• Title（参考訳）: 3次元捕捉イオン結晶における1000量子ビットのコヒーレント光制御
• Abstract要約: 閉じ込められたイオンの3次元クーロン結晶は、再配置オーバーヘッドのない密度のクビット配列に自己集合する。 我々は, 連続冷却バンドを用いて, 1200イオン以上の結晶の約3600モードをシングルフォノン占有下で冷却する。 21.6ミリ秒のアンサンブル光コヒーレンスを示し、光遷移周波数の不確かさを1個のイオンで389Hzから1000個以上のイオンで12Hzに低減した。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 14.724893697409906
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Leading quantum platforms are largely limited to one or two dimensions, whereas three-dimensional Coulomb crystals of trapped ions self-assemble into dense qubit arrays with no rearrangement overhead. Coherent optical control of such crystals has nonetheless been out of reach, because the optical transition couples to nearly all $3N$ collective modes, i.e., a thermally occupied quasi-continuum bath. Here we cool about 3,600 modes of a crystal of over 1,200 ions below single-phonon occupation, using a continuous cooling band that spans more than five octaves in vibrational spectrum, from about 50 kHz to 2.1 MHz. The crystal then serves as a register of optical qubits, allowing global initialization, coherent manipulation and collective detection. We demonstrate ensemble optical coherence of 21.6 milliseconds and reduce the optical-transition frequency uncertainty from 389 Hz for a single ion to 12 Hz for over a thousand ions, approaching the expected projection-noise scaling. Our approach could be extended to even larger crystals with phonon-mediated many-body couplings, opening a route towards entanglement-enhanced precision metrology and three-dimensional quantum simulation, particularly with spatial-shaped illumination for region-resolved collective control.
• Abstract（参考訳）: 主量子プラットフォームは、主に1次元または2次元に制限されるが、捕捉されたイオンの3次元クーロン結晶は、再配置オーバーヘッドのない密度の量子ビット配列に自己集合する。 しかしながら、このような結晶のコヒーレントな光制御は、光学遷移カップルがおよそ3N$の集合モード、すなわち熱的に占有された準連続浴へと変化するため、手に入らなかった。 ここでは、振動スペクトルの5オクターブ以上を約50kHzから2.1MHzの連続冷却バンドを用いて、単音速で1200イオンを超える結晶の約3600モードを冷却する。 結晶は光量子ビットのレジスタとして機能し、大域的な初期化、コヒーレントな操作、集合的検出を可能にする。 我々は、21.6ミリ秒のアンサンブル光コヒーレンスを示し、光遷移周波数の不確かさを1つのイオンで389Hzから1000イオン以上で12Hzに低減し、予測射影ノイズスケーリングにアプローチした。 我々のアプローチは、フォノンを媒介とする多体結合を持つさらに大きな結晶にまで拡張され、絡み合いを拡大した精密なメトロジーと3次元量子シミュレーションへの道を開くことができる。

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