[論文レビュー] Integrated optical control and enhanced coherence of ion qubits via multi-wavelength photonics

Robert Niffenegger, Jules Stuart+10 more|arXiv (Cornell University)|Jan 14, 2020

Advanced Fiber Laser Technologies被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、ブルーから赤外域にわたる複数のレーザー波長を、表面電極型イオントラップに直接供給することで、Sr⁺イオン量子ビットを完全に制御可能な、CMOS準拠でモノリシックに統合された光デバイスを実証している。波導とグレーティングカップラーを用いて光ファイバー アレイを介して光をルーティングすることで、振動に強く安定した量子ビットコherenecを実現し、捕獲イオン量子技術のための安定的でポータブルなプラットフォームを提供する。

ABSTRACT

Monolithic integration of control technologies for atomic systems presents a promising route to the development of quantum computers and portable quantum sensors. Trapped atomic ions form the basis of high-fidelity quantum information processors and high-accuracy optical clocks, but currently rely on free-space optics for ion control, limiting portability and scalability. Here we demonstrate a surface-electrode ion trap which delivers all wavelengths required for ionization, cooling, coherent operations, and quantum-state preparation and detection of Sr$^{+}$ qubits using integrated waveguides and grating couplers. Laser light from the violet to the infrared is coupled onto the chip via an optical-fiber array, creating an inherently stable optical path that we use to demonstrate qubit coherence resilient to platform vibrations. This demonstration of CMOS-compatible integrated-photonic surface-trap fabrication, robust packaging, and enhanced qubit coherence represents a key advance in the development of portable trapped-ion quantum sensors and clocks, and it lights the way toward the complete, individual control of larger numbers of ions in quantum information processing systems.

研究の動機と目的

• 捕獲イオン量子系における自由空間光学の限界を克服し、スケーラブルでポータブルな量子技術のためのモノリシック光統合を実現すること。
• イオン化、冷却、コherent操作、状態測定に必要なすべてのレーザー波長を、表面電極型イオントラップに直接供給できるCMOS準拠のプラットフォームを開発すること。
• ファイバー結合されたオンチップ光路により、ボリューム光学部品に起因する機械的不安定性を排除することで、量子ビットコherenecを向上させること。
• 実世界への展開に適した量子制御プラットフォームとして、統合光デバイスの堅牢なパッケージングと安定した動作を実証すること。

提案手法

• 本システムは、波導とグレーティングカップラーを備えたモノリシックに統合された光デバイスを用い、ブルーから赤外域にわたる波長のレーザー光をイオントラップにルーティングする。
• 外部光源からのレーザー光をファイバー アレイを介してチップに結合することで、機械的ドリフトを最小限に抑えた安定的で固定された光路を実現する。
• 光デバイスはCMOS準拠のプロセスでフォトリソグラフィーにより製造されており、スケーラビリティと既存の半導体技術との統合を可能にする。
• オンチップ部品を用いて、イオン化、サイドバンド冷却、ラーマン遷移、状態読み出しに必要なレーザー波長を正確にイオントラップに指向する。
• 光デバイスを保護し、振動などの環境的擾乱下でもアライメントを維持するため、全システムをパッケージングする。
• プラットフォームの振動下での量子ビットコherenecを測定し、従来の自由空間光学系と比較することで安定性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 モノリシックに統合された光デバイスが、1つのコンactなプラットフォームでSr⁺イオン量子ビットの完全制御に必要なすべてのレーザー波長を供給できるか？
• RQ2 振動下での量子ビットコherenecの観点から、オンチップ光路の安定性は自由空間光学と比べてどの程度優れているか？
• RQ3 CMOS準拠のプロセスは、スケーラブルでポータブルな捕獲イオン量子系を実現するために、どの程度の可能性を秘めているか？
• RQ4 堅牢なパッケージングは、実用的なイオントラップ環境下で統合光デバイスの性能を保持できるか？

主な発見

• 統合光デバイスは、イオン化、冷却、状態測定に必要なブルーから赤外域にわたる波長のレーザー光を効果的に供給した。
• ファイバー結合されたオンチップ光路のおかげで、振動下でも量子ビットコherenecが維持され、機械的擾乱に対して耐性があることが実証された。
• ボリューム光学部品を一切不要とした1つのモノリシック光デバイスプラットフォームにより、Sr⁺イオン量子ビットの完全制御が達成された。
• CMOS準拠のプロセスにより、光デバイスと表面電極型イオントラップのスケーラブルな統合が可能となり、より大規模な量子プロセッサの実現に向けた道筋が示された。
• 堅牢なパッケージングにより、光デバイスのアライメントと性能が維持され、ポータブル量子センサーや時計の実世界展開を支援する。
• 提示されたプラットフォームは、将来的な捕獲イオン量子情報処理およびセンシングのための安定的でコンactかつスケーラブルなソリューションを提供する。