[論文レビュー] Multi-zone trapped-ion qubit control in an integrated photonics QCCD device

Carmelo Mordini, Alfredo Ricci Vásquez+7 more|arXiv (Cornell University)|Jan 31, 2024

Quantum Information and Cryptography被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、統合フォトニクスを備えた表面電極イオントラップを用いて、トラップドアイオントラップ量子プロセッサにおけるマルチゾーンコherent制御およびイオン輸送を実証した。オンチップ波導およびグレーティングカップラーを介したレーザー光の供給により、200 µsの輸送時間で375 µm離れた2つのゾーン間でラーマー干渉を達成した。同時に、誘電体窓による励起状態の加熱を低減し、低クロストークと相関する場ノイズ測定を可能にするスケーラブルなQCCDアーキテクチャを実現した。

ABSTRACT

Multiplexed operations and extended coherent control over multiple trapping sites are fundamental requirements for a trapped-ion processor in a large scale architecture. Here we demonstrate these building blocks using a surface-electrode trap with integrated photonic components which are scalable to larger numbers of zones. We implement a Ramsey sequence using the integrated light in two zones, separated by 375 $μ$m, performing transport of the ion from one zone to the other in 200 $μ$s between pulses. In order to achieve low motional excitation during transport, we developed techniques to measure and mitigate the effect of the exposed dielectric surfaces used to deliver the integrated light to the ion. We also demonstrate simultaneous control of two ions in separate zones with low optical crosstalk, and use this to perform simultaneous spectroscopy to correlate field noise between the two sites. Our work demonstrates the first transport and coherent multi-zone operations in integrated photonic ion trap systems, forming the basis for further scaling in the trapped-ion QCCD architecture.

研究の動機と目的

• フォトニクス部品を直接マルチゾーン表面電極イオントラップに統合することで、スケーラブルなトラップドアイオン量子コンピューティングを実現すること。
• オンチップ波導を用いて空間的に分離されたトラップゾーンに複数のレーザー波長を効率的に供給する課題を克服すること。
• フォトニクス波導構造に近接する誘電体表面がイオン輸送に与える励起状態の加熱を最小限に抑えること。
• イオンをサイト間で輸送しながら、ラーマー干渉を用いて複数ゾーンにわたるコherent制御を実現すること。
• 別々のゾーンに配置されたイオンを並列かつ独立して制御し、クロストークを評価するとともに、サイト間の場ノイズ相関を特定すること。

提案手法

• 赤色および赤外線レーザー光をオンチップで供給可能な、SiN波導およびグレーティングカップラーを統合した、低温化されたセグメント化表面電極トラップを採用。2つの明確に分離されたトラップゾーンに光を供給した。
• 375 µm離れた2つのゾーン間でラーマーシーケンスを実施し、パulses間のイオン輸送を用いて、分散型コherent操作を実現した。
• フォトニクス結合に用いられる誘電体窓が引き起こす電場歪みを補償する輸送プロトコルを開発・キャリブレーションした。
• 2つのイオンを別々のゾーンに配置し、同時に分光測定を実施。これにより、ゾーン間の光学的クロストークを評価し、デバイス全体にわたる場ノイズ相関を測定した。
• 位相サイクリング技術を適用し、光学的ラビ駆動を基底状態の量子ビット操作にマッピングすることで、レーザー位相ノイズへの感受性を低減した。
• 誘電体表面がイオン輸送に与える影響を評価するため、励起状態サイドバンドスペクトルを測定し、加熱を最小限に抑える輸送軌道を最適化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 オンチップフォトニクスを用いたトラップドアイオン系において、複数の空間的に分離されたトラップゾーン間でコherent量子操作を達成できるか？
• RQ2 イオンの経路に近接する誘電体波導が存在する場合、最小限の励起状態を伴うイオン輸送をどのように実現できるか？
• RQ3 統合フォトニクスが、遠く離れたトラップサイト間で光学的クロストークや場ノイズ相関をどれほど引き起こすか？
• RQ4 別々のゾーンに配置されたイオンを並列かつ独立して制御でき、スケーラブルな量子操作を実現できるか？
• RQ5 誘電体構造が原因でモデル化された電場分布と実際の電場分布に差異が生じる場合、輸送プロトコルをどのようにキャリブレーションして補正できるか？

主な発見

• 著者らは、統合フォトニクスによる光供給を用いて、375 µm離れた2つのゾーン間でラーマー干渉実験を成功裏に実施した。
• 200 µsの輸送時間でイオンをゾーン間で輸送し、最小限の励起状態を伴うことで、空間的に分離されたサイト間でのコherent操作を実現した。
• 誘電体窓に起因する励起状態の加熱を低減するための専用の輸送キャリブレーションプロトコルを採用し、輸送中の残留加熱を低く抑えた。
• 別々のゾーンに配置された2つのイオンを同時に分光測定することで、光学的クロストークが低く抑えられ、デバイス全体にわたる場ノイズ相関を測定した。
• 位相サイクルドラビ駆動を用いたコherent制御により、量子ビット操作をレーザー位相ゆらぎから効果的に分離した。
• 波導およびグレーティングカップラーの統合により、複数のレーザー波長を明確に分離されたトラップゾーンに安定的かつスケーラブルに供給可能となった。