Controllo ottimale delle transizioni di quadrupolo nei qudit di ioni calcio attraverso luce strutturata

Trapped ions are among the most promising candidates as building blocks for the quantum hardware of upcoming quantum computers. By isolating two particular levels connected by an accessible transition, it is possible to experimentally realize the simplest form of quantum system, the qubit, which lies at the heart of quantum computation. Actually, isolated ions offer a multiplicity of internal energy levels, providing a complex structure of their internal states that can thus be exploited to encode a high-dimensional qudit. From an experimental point of view, controlling atomic qudits is an extremely challenging task, as the transitions between atomic energy levels are driven by addressing the ions with focused laser beams, whose parameters such as resonance frequency, intensity, and polarization, must be carefully calibrated to select a specific transition and steer the system to the state of interest. To this aim, structured light beams offer a promising tool, enabling the possibility to configure properly the spatial distribution of intensity and polarization in order to address specific electronic transitions efficiently. This thesis focuses on the 40Ca+ ion platform, exploring the potential for probing the fine structure of the quadrupole 4s↔3d transition through strategic spatial structuring of the excitation laser. The activity will start with a comprehensive review of the current literature in the field, establishing a solid foundation for the subsequent investigation. Thus, the student will develop both analytical and numerical models to quantify the coupling efficiencies of the quadrupole transitions, accounting for various spatial states and experimental conditions of the excitation laser. The developed computational tools will be applied to specific cases of interest, with a particular emphasis on real experimental setups.

Gli ioni intrappolati sono tra i candidati più promettenti come elementi costitutivi dell'hardware quantistico dei futuri computer quantistici. Isolando due livelli specifici connessi da una transizione accessibile, è possibile realizzare sperimentalmente la forma più semplice di sistema quantistico, il qubit, che è al centro della computazione quantistica. In realtà, gli ioni isolati offrono una molteplicità di livelli energetici interni, fornendo una struttura complessa dei loro stati interni che può quindi essere sfruttata per codificare un qudit ad alta dimensionalità. Da un punto di vista sperimentale, il controllo dei qudit atomici è un compito estremamente impegnativo, poiché le transizioni tra i livelli energetici atomici sono eccitate da con fasci laser focalizzati indirizzati verso gli ioni, i cui parametri come frequenza di risonanza, intensità e polarizzazione devono essere attentamente calibrati per selezionare una transizione specifica e indirizzare il sistema verso lo stato di interesse. A tal fine, i fasci di luce strutturata offrono uno strumento promettente, consentendo la possibilità di configurare correttamente la distribuzione spaziale di intensità e polarizzazione al fine di indirizzare in modo efficiente specifiche transizioni elettroniche. Questa tesi si concentra sulla piattaforma ionica 40Ca+, esplorando il potenziale di indagine della struttura fine della transizione quadrupolare 4s↔3d attraverso una strutturazione spaziale strategica del laser di eccitazione. L'attività inizierà con una revisione completa della letteratura attuale nel settore, stabilendo una solida base per le indagini successive. Pertanto, lo studente svilupperà modelli sia analitici che numerici per quantificare l'efficienza di accoppiamento delle transizioni quadrupolari, tenendo conto di diversi stati spaziali e condizioni sperimentali dell'eccitazione laser. Gli strumenti computazionali sviluppati saranno applicati a specifici casi di interesse, con particolare attenzione a configurazioni sperimentali reali.