[論文レビュー] Quantum Information Processing with Microfabricated Optical Elements

F. B. J. Buchkremer, Rainer Dumke+4 more|ArXiv.org|Oct 19, 2001

Photonic and Optical Devices被引用数 10

ひとこと要約

本論文では、マイクロフォトニクス素子（例：マイクロレンズアレイやコンピュータ生成ホログラム）を用いて、中性原子を用いた量子情報処理のためのスケーラブルで統合的かつミニチュア化された原子光学系を構築することを提案する。半導体と同等のプロセス技術を活用することで、チューナブルなダイポールトラップアレイを用いて、並列的かつ高精度に原子を捕らえ、操作することが可能となり、qubitの初期化、ゲート操作、読み出しをコンactなスケーラブルなプラットフォームで実現できる。

ABSTRACT

We discuss a new direction in the field of quantum information processing with neutral atoms. It is based on the use of microfabricated optical elements. With these elements versatile and integrated atom optical devices can be created in a compact fashion. This approach opens the possibility to scale, parallelize, and miniaturize atom optics for new investigations in fundamental research and applications towards quantum computing with neutral atoms. The exploitation of the unique features of the quantum mechanical behavior of matter waves and the capabilities of powerful state-of-the-art micro- and nanofabrication techniques lend this approach a special attraction.

研究の動機と目的

• 中性原子を用いた量子情報処理のためのスケーラブルでミニチュア化されたプラットフォームのニーズに対応すること。
• 従来の原子光学技術の限界を打ち破るために、マイクロフォトニクス素子を原子操作技術と統合すること。
• 空間的に調整された光学的ポテンシャルを用いて、個々のqubitの並列化と選択的アドレス指定を可能にすること。
• 既存のマイクロフォトニクス原子トラップ（例：磁気的・電気的構造）と光学素子を統合してハイブリッド量子システムを構築すること。
• スケーラブルなマイクロフォトニクスプロセスを用いた、完全に統合されたオンチップ量子情報処理への道筋を確立すること。

提案手法

• サブミクロンレベルの精度で、基板上にマイクロレンズアレイやその他のマイクロフォトニクス素子をリソグラフィックなプロセス技術で製造する。
• レーザー光ビームで照射されたマイクロレンズアレイを用いて、2次元配列の光学的ダイポールトラップを生成し、並列的な原子捕らえを実現する。
• 高速デフォルタを用いてビームの偏向制御を行い、量子ゲート操作に適したリアルタイムでのトラップ間隔の制御を実現する。
• マイクロレンズアレイに直接実装された垂直レーザー表面発光レーザー（VCSEL）を用いて、安定的でアドレス指定可能かつチューナブルなダイポールトラップを構築する。
• 光学ファイバーや波導、フォトディテクタとマイクロフォトニクス素子を統合し、オンチップでの量子状態の読み出しと信号処理を可能にする。
• マイクロフォトニクスシステムをマイクロフォトニクスで作製された磁気的・電気的構造と組み合わせることで、ハイブリッドATOMICスプラットフォーム（原子光学とマイクロ構造）を構築する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マイクロフォトニクス素子は、中性原子のスケーラブルかつ並列的な捕らえを、量子情報処理に適した形で可能にするか？
• RQ2 マイクロレンズアレイとコンピュータ生成ホログラムを用いて、チューナブルでアドレス指定可能かつ安定したダイポールトラップアレイをどのように構築できるか？
• RQ3 既存のマイクロフォトニクス原子トラップおよびオプトエレクトロニクスデバイスと、どの程度までマイクロフォトニクス素子を統合できるか？
• RQ4 ビームデフォルトを用いて、2量子ビット量子ゲートの実装に適したリアルタイムでのトラップ間隔制御が可能か？
• RQ5 VCSELをマイクロレンズアレイに統合することで、選択的qubitアドレス指定およびトラップ深さの動的制御の可能性はどの程度か？

主な発見

• レーザー光ビームで照射されたマイクロレンズアレイは、複数のqubitの保存と操作に適した、安定した2次元配列の光学的ダイポールトラップを生成できる。
• 2つのマイクロレンズアレイを横方向にずらすか、異なる角度で2本のビームを照射することで、トラップアレイ間の距離をリアルタイムで制御でき、1ミクロンオーダーの高精度なトラップ間隔のチューニングが可能になる。
• マイクロレンズアレイに直接実装されたVCSELを用いることで、個々のトラップの選択的活性化と深さのチューニングが可能となり、qubitの初期化およびゲート操作における制御性が向上する。
• 高数値孔（NA ≈ 0.5）を有するマイクロフォトニクス素子は、量子状態の読み出しに効率的な空間分解能を有する蛍光収率を実現する。
• マイクロフォトニクス素子を光学ファイバーや波導、フォトディテクタと統合することで、オンチップでの量子情報信号処理が可能になる。
• マイクロフォトニクスとマイクロフォトニクスで作製された磁気的・電気的構造の組み合わせにより、ハイブリッドATOMICスプラットフォームが実現され、中性原子量子コンピューティングシステムのスケーラビリティとミニチュア化が飛躍的に進展する。