Digital-Analog Quantum Simulation of Spin Systems in Trapped Ions

65 p.[eng]We propose a method to simulate spin models in trapped ions, using digital-analog techniques. With a suitable multiqubit gate decomposition in terms of analog blocks and digital steps, we show that the dynamics of the spin-1/2 Heisenberg chain can be implemented in a linear ion array. This digital-analog proposal involves substantially less number of gates than a fully digital approach, making it a good candidate for experimental implementations. Our work may be adapted to different quantum platforms.[eus]Teknika digital-analogikoak erabiliz, ioi harrapatuetan spin sistemak simulatzeko metodo bat aurkezten dugu. Bloke analogikoak eta pauso digitalak tartekatuz, spin- 1=2eko Heisenberg ereduaren dinamika ioi kate baten bidez simula daitekela azaltzen dugu. Prozedura digital-analogikoek guztiz digitala den protokolo batek baino ate gutxiago behar ditu, esperimentalki gauzatzea erraztuz. Gure lana beste plataforma kuantiko batzuetara moldagarria izan daiteke.[es]Proponemos un método para simular modelos de espines en iones atrapados, mediante técnicas digital-analógicas. Usando una descomposición en puertas multiqubit, demostramos que es posible implementar la dinámica del modelo de Heisenberg de spin-1/2 en una cadena de iones. La propuesta digital-analógica requiere un menor número de puertas que un protocolo completamente digital, facilitando su realización experimental y su adaptación a diversas plataformas cuánticas

Argi-materia elkarrekintzen diseinua teknologia kuantikoetarako

149 p. (eng) 153 p. (eusk)Guztira, tesi honetan, argi-materia elkarrekintza efektiboak sortzeko gai diren erradiazio-patroiak diseinatzen ditugu, konputazio kuantikoan, simulazio kuantikoan eta detekzio kuantikoan aplikazioak dituztenak. Horrela, hemen aurkeztutako metodoek argi-materia elkarrekintzen kontrolari buruz dugun ezagutza handitzeko balio dute, eta egungo gailuak etorkizuneko aplikazioetarako prestatzeko modu eraginkorrak deskribatzen dituzte. Gainera, argi-materia elkarrekintzaren simulazio kuantikoa egiteko modu berriak aurkezten ditugu, ohiko hurbilketetatik at. Beraz, uste dugu gure emaitzek: sentsore kuantiko eta simulagailu kuantiko hobeak ekarriko dituztela, ioi-harrapatuz sorturiko prozesadore kuantikoen eraikuntza sustatuko dutela, eta atomo neutroak erabiliz nagusitasun kuantikoaren lehen frogapen esperimentala ekarriko dutela

Argi-materia elkarrekintzen diseinua teknologia kuantikoetarako

149 p. (eng) 153 p. (eusk)Guztira, tesi honetan, argi-materia elkarrekintza efektiboak sortzeko gai diren erradiazio-patroiak diseinatzen ditugu, konputazio kuantikoan, simulazio kuantikoan eta detekzio kuantikoan aplikazioak dituztenak. Horrela, hemen aurkeztutako metodoek argi-materia elkarrekintzen kontrolari buruz dugun ezagutza handitzeko balio dute, eta egungo gailuak etorkizuneko aplikazioetarako prestatzeko modu eraginkorrak deskribatzen dituzte. Gainera, argi-materia elkarrekintzaren simulazio kuantikoa egiteko modu berriak aurkezten ditugu, ohiko hurbilketetatik at. Beraz, uste dugu gure emaitzek: sentsore kuantiko eta simulagailu kuantiko hobeak ekarriko dituztela, ioi-harrapatuz sorturiko prozesadore kuantikoen eraikuntza sustatuko dutela, eta atomo neutroak erabiliz nagusitasun kuantikoaren lehen frogapen esperimentala ekarriko dutela

The TRAPSENSOR facility: an open-ring 7 tesla Penning trap for laserbased precision experiments

APenning-trap facility for high-precision mass spectrometry based on a novel detection method has been built. This method consists in measuring motional frequencies of singly-charged ions trapped in strong magnetic fields through the fluorescence photons from laser-cooled 40Ca+ ions, to overcome limitations faced in electronic single-ion detection techniques. The key element of this facility is an open-ring Penning trap coupled upstream to a preparation Penning trap similar to those used at Radioactive Ion Beam facilities. Here we present a full characterization of the trap and demonstrate motional frequency measurements of trapped ions stored by applying external radiofrequency fields in resonance with the ions’ eigenmotions, in combination with time-of-flight identification. The infrastructure developed to observe the fluorescence photons from 40Ca+, comprising the 12 laser beams and the optical system to register the image in a high-sensitive CCD sensor, has been proved by taking images of the trapped and cooled 40Ca+ ions. This demonstrates the functionality of the proposed laser-based mass-spectrometry technique, providing a unique platform for precision experiments with implications in different fields of physics.This work was supported by the European Research Council (contract no. 278648-TRAPSENSOR), from the SpanishMINECO/ FEDER (project nos. FPA2012-32076, FPA2015-67694-P, FIS2015-69983-P, UNGR10-1E- 501, UNGR13-1E-1830), Ramón y Cajal Grant RYC-2012-11391, Juan de la Cierva grant IJCI-2015-26091, Centro Nacional de Partículas, Astropartículas y Nuclear CPAN13-TM01, and ‘Sistema Nacional de Garantía Juvenil y del Programa Operativo de Empleo Juvenil’; from the SpanishMECD(PhD grant nos. FPU15-04679 and FPU17/02596); from Junta de Andalucía/FEDER (project no. IE-57131) and ‘Programa de Empleo Juvenil; from Basque Government (PhD grant no. PRE-2015-1-0394) and (project no. IT986-16), and from the University of Granada ‘Plan propio-Programa de Intensificación de la Investigación PP2017-PRI.I-04’. I.A, L.L. and E.S acknowledge also support from projects OpenSuperQ (820363) and QMiCS (820505) of the EUFlagship on Quantum Technologies

Digital-Analog Quantum Simulation of Spin Systems in Trapped Ions

65 p.[eng]We propose a method to simulate spin models in trapped ions, using digital-analog techniques. With a suitable multiqubit gate decomposition in terms of analog blocks and digital steps, we show that the dynamics of the spin-1/2 Heisenberg chain can be implemented in a linear ion array. This digital-analog proposal involves substantially less number of gates than a fully digital approach, making it a good candidate for experimental implementations. Our work may be adapted to different quantum platforms.[eus]Teknika digital-analogikoak erabiliz, ioi harrapatuetan spin sistemak simulatzeko metodo bat aurkezten dugu. Bloke analogikoak eta pauso digitalak tartekatuz, spin- 1=2eko Heisenberg ereduaren dinamika ioi kate baten bidez simula daitekela azaltzen dugu. Prozedura digital-analogikoek guztiz digitala den protokolo batek baino ate gutxiago behar ditu, esperimentalki gauzatzea erraztuz. Gure lana beste plataforma kuantiko batzuetara moldagarria izan daiteke.[es]Proponemos un método para simular modelos de espines en iones atrapados, mediante técnicas digital-analógicas. Usando una descomposición en puertas multiqubit, demostramos que es posible implementar la dinámica del modelo de Heisenberg de spin-1/2 en una cadena de iones. La propuesta digital-analógica requiere un menor número de puertas que un protocolo completamente digital, facilitando su realización experimental y su adaptación a diversas plataformas cuánticas