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Elementary laser‐less quantum logic operations with (anti‐)protons in penning traps

  • Diana Nitzschke
  • , Marius Schulte
  • , Malte Niemann
  • , Juan M. Cornejo
  • , Stefan Ulmer
  • , Ralf Lehnert
  • , Christian Ospelkaus*
  • , Klemens Hammerer
  • *Korrespondierende*r Autor*in für diese Arbeit

Publikation: Beitrag in FachzeitschriftArtikelForschungPeer-Review

Abstract

Static magnetic field gradients superimposed on the electromagnetic trapping potential of a Penning trap can be used to implement laser-less spin–motion couplings that allow the realization of elementary quantum logic operations in the radio-frequency regime. An important scenario of practical interest is the application to g-factor measurements with single (anti-)protons to test the fundamental charge, parity, time reversal (CPT) invariance as pursued in the Baryon Antibaryon Symmetry Experiment (BASE) collaboration. The classical and quantum behavior of a charged particle in a Penning trap with a superimposed magnetic field gradient is discussed. Using analytic and numerical calculations, it is found that it is possible to carry out a SWAP gate between the spin and the motional qubit of a single (anti-)proton with high fidelity, provided the particle has been initialized in the motional ground state. The implications of the findings for the realization of quantum logic spectroscopy in this system are discussed.

OriginalspracheEnglisch
Aufsatznummer1900133
Seitenumfang10
FachzeitschriftAdvanced Quantum Technologies
Jahrgang3
Ausgabenummer11
DOIs
PublikationsstatusVeröffentlicht - 16 Juni 2020

ASJC Scopus Sachgebiete

  • Elektronische, optische und magnetische Materialien
  • Physik der kondensierten Materie
  • Kern- und Hochenergiephysik
  • Statistische und nichtlineare Physik
  • Elektrotechnik und Elektronik
  • Mathematische Physik
  • Theoretische Informatik und Mathematik
  • QuantumFrontiers: Exzellenzcluster 2123/1: Licht und Materie an der Quantengrenze

    Schmidt, P. O. (Projektleiter*in (Principal Investigator)), Ospelkaus-Schwarzer, S. (Projektleiter*in (Principal Investigator)), Chichkov, B. (Projektleiter*in (Principal Investigator)), Danzmann, K. (Projektleiter*in (Principal Investigator)), Ertmer, W. (Projektleiter*in (Principal Investigator)), Hammerer, K. J. (Projektleiter*in (Principal Investigator)), Haug, R. (Projektleiter*in (Principal Investigator)), Heinzel, G. (Projektleiter*in (Principal Investigator)), Heurs, M. (Projektleiter*in (Principal Investigator)), Klempt, C. (Projektleiter*in (Principal Investigator)), Kroker, S. (Projektleiter*in (Principal Investigator)), Lisdat, C. (Projektleiter*in (Principal Investigator)), Mehlstäubler, T. (Projektleiter*in (Principal Investigator)), Müller, J. (Projektleiter*in (Principal Investigator)), Ospelkaus, C. (Projektleiter*in (Principal Investigator)), Rasel, E. M. (Projektleiter*in (Principal Investigator)), Recher, P. (Projektleiter*in (Principal Investigator)), Santos, L. S. (Projektleiter*in (Principal Investigator)), Schilling, M. (Projektleiter*in (Principal Investigator)), Schlickum, U. (Projektleiter*in (Principal Investigator)), Schumacher, H. W. (Projektleiter*in (Principal Investigator)), Surzhykov, A. (Projektleiter*in (Principal Investigator)), Waag, A. (Projektleiter*in (Principal Investigator)), Werner, R. (Projektleiter*in (Principal Investigator)) & Willke, B. (Projektleiter*in (Principal Investigator))

    1 Jan. 201931 Dez. 2025

    Projekt: Forschung

  • DQ-mat: Sonderforschungsbereich 1227/1, Teilprojekt A06: Darstellung von Quantenkorrelationen in komplexen Systemen

    Osborne, T. J. (Projektleiter*in (Principal Investigator)), Werner, R. (Projektleiter*in (Principal Investigator)) & Hammerer, K. J. (Projektleiter*in (Principal Investigator))

    1 Juli 201630 Juni 2020

    Projekt: Forschung

  • DQ-mat: Sonderforschungsbereich 1227/1, Teilprojekt B06: Quantenmetrologie mit gefangenen (Anti-)Protonen

    Ospelkaus, C. (Projektleiter*in (Principal Investigator))

    1 Juli 201630 Juni 2020

    Projekt: Forschung

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