Ph.D. Thesis - Physics
Ph.D. Thesis - Physics
Ph.D. Thesis - Physics
Create successful ePaper yourself
Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.
2.4 Conclusions and further questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60<br />
3 Quantum simulation of the BCS Hamiltonian 63<br />
3.1 The BCS theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64<br />
3.2 The Wu-Byrd-Lidar proposal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66<br />
3.3 The bounds on precision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68<br />
3.4 The NMR system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69<br />
3.4.1 Sample . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70<br />
3.4.2 Magnet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71<br />
3.4.3 Probe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73<br />
3.4.4 RF electronics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74<br />
3.4.5 Computer control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75<br />
3.5 Experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75<br />
3.6 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78<br />
II Two-dimensional ion arrays for analog quantum simulation 81<br />
4 Theory and history of quantum simulation using trapped ions 83<br />
4.1 The ion trap system and Hamiltonian . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84<br />
4.1.1 Motional states of trapped ions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84<br />
4.1.2 Control of ionic internal states . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88<br />
4.1.3 Control of the ion’s external state . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90<br />
4.1.4 State preparation and measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92<br />
4.1.5 Decoherence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93<br />
4.2 Quantum simulation of quantum spin models . . . . . . . . . . . . . . . . . 94<br />
4.2.1 The Ising and Heisenberg models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96<br />
4.2.2 Porras and Cirac’s proposal for simulating quantum spin models . . 96<br />
4.3 Ion trap design for quantum simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99<br />
4.3.1 Challenges for trap design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99<br />
4.3.2 2-D ion arrays: prior art . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101<br />
4.3.3 Methods of trap design, testing, and evaluation . . . . . . . . . . . . 101<br />
4.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102<br />
5 Lattice ion traps for quantum simulation 105<br />
5.1 Proposals for quantum simulation in lattice ion traps . . . . . . . . . . . . . 106<br />
5.2 Lattice trap design and theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106<br />
5.3 Experimental setup for 88 Sr + trapping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110<br />
5.3.1 Vacuum chamber and electrical connections . . . . . . . . . . . . . . 110<br />
5.3.2 Lasers and imaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114<br />
5.4 Experimental results for 88 Sr + trapping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116<br />
10