[論文レビュー] Scalable photonic integrated circuits for programmable control of atomic systems

Adrian J. Menssen, Artur Hermans+11 more|arXiv (Cornell University)|Oct 6, 2022

Photonic and Optical Devices被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、窒化ケイ素と窒化アルミニウムペイエクトロニクスアクチュエータを用いたスケーラブルなフォトニクス集積回路（APIC）プラットフォームを提案する。このプラットフォームは、原子系の高速・高精度な光学制御を実現する。16チャネルのAPICは780 nmで5.8 nsのスイッチング時間と-30 dB未満の消光比を達成し、大規模な量子技術に不可欠なCMOS準拠でマルチチャネル、可変波長（可視光〜近赤外）のプログラマブル制御を実現した。

ABSTRACT

Advances in laser technology have driven discoveries in atomic, molecular, and optical (AMO) physics and emerging applications, from quantum computers with cold atoms or ions, to quantum networks with solid-state color centers. This progress is motivating the development of a new generation of "programmable optical control" systems, characterized by criteria (C1) visible (VIS) and near-infrared (IR) wavelength operation, (C2) large channel counts extensible beyond 1000s of individually addressable atoms, (C3) high intensity modulation extinction and (C4) repeatability compatible with low gate errors, and (C5) fast switching times. Here, we address these challenges by introducing an atom control architecture based on VIS-IR photonic integrated circuit (PIC) technology. Based on a complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) fabrication process, this Atom-control PIC (APIC) technology meets the system requirements (C1)-(C5). As a proof of concept, we demonstrate a 16-channel silicon nitride based APIC with (5.8$\pm$0.4) ns response times and -30 dB extinction ratio at a wavelength of 780 nm. This work demonstrates the suitability of PIC technology for quantum control, opening a path towards scalable quantum information processing based on optically-programmable atomic systems.

研究の動機と目的

• 数千個の個別にアドレス可能な原子を含む量子系におけるスケーラブルでコherentな光学制御の課題に取り組む。
• マルチチャネルで高速な光学制御において、ボリューム型の音響光変調器の限界を克服する。
• 量子情報処理に適した可視光および近赤外波長に対応するフォトニクス集積プラットフォームを開発する。
• 信頼性の高い量子ゲート操作を実現するため、高消光比、高速スイッチング、低誤差率を達成する。
• CMOSプロセスによる電子制御回路との統合を可能にし、システムのスケーラビリティを向上させる。

提案手法

• 窒化ケイ素基板上にAlNペイエクトロニクスアクチュエータを備えた16チャネルの二重ループ補助型マハチザンド干渉計変調器（DRMZM）アレイを設計・プロトタイピングする。
• 500 °C未満の温度で実施可能なCMOS準拠の200 mmウェーハプロセスを用い、電子ドライバーやフィードバック回路との統合を可能にする。
• ループレゾネータのペイエクトロニクス駆動による電圧プログラマブルな位相シフトを実装し、高消光比モード変調を達成する。
• プロセスに起因する周波数変動に対して安定化するため、ループレゾネータの強めの過結合を実装する。
• 125 MS/s、±15 Vの高帯域幅電子ドライバ（8000 V/µsのスルーレート）を用い、6 ns未満のスイッチング時間を達成する。
• ブルーライトトリミングを適用し、プロセスに起因する非一様性を補正する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 AlNペイエクトロニクスアクチュエータを備えたフォトニクス集積回路は、量子制御用途で6 ns未満のスイッチング速度を達成できるか？
• RQ2 大規模なAPICにおいて、プロセスに起因するループレゾネータ周波数のばらつきはどの程度補正可能か？
• RQ3 CMOS準拠のSiN PICは、可視光波長（780 nm）で30 dB以上の高消光比モード変調をサポートできるか？
• RQ4 スケーラブルな量子系において、高速光学変調器と電子制御回路を1チップに統合することは可能か？
• RQ5 実際の動作条件下におけるマルチチャネルAPICプラットフォームで、光学パルスの達成可能な忠実度はどの程度か？

主な発見

• APICは10–90%の立ち上がり時間を(5.8 ± 0.4) nsとして達成し、高速量子制御に適した6 ns未満のスイッチング速度を実証した。
• 780 nmにおける消光比が-30 dB未満であり、正確な光学振幅制御に適した広動態範囲を示した。
• オン状態におけるパルス不一致度は2.5 × 10⁻⁶であり、高ゲート忠実度と低誤差率を示した。
• ブルーライトトリミングを用いたプロセスに起因するループレゾネータ周波数のばらつきの補正が効果的であり、チャネル間での均一な性能が実現された。
• 1.6 µmでワットレベルの光学出力に対応できるため、高出力心用へのスケーラビリティを示した。
• AlNペイエクトロニクスアクチュエータの使用により、高速で電圧プログラマブルな位相シフトが可能であり、測定された駆動効率は0.4 pm/Vであり、先行研究と整合的であった。