[논문 리뷰] A guided light system for agile individual addressing of Ba$^+$ qubits with $10^{-4}$ level intensity crosstalk

Ali Binai-Motlagh, Matthew Day외 4명|arXiv (Cornell University)|2023. 02. 28.

Quantum optics and atomic interactions인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 레이저로 기록된 웨이브가이드와 광섬유 커플드 형광모듈레이터(AOM)를 사용하여 Ba⁺ 큐비트의 개별 주소 지정을 위한 가이드드 라이트 개별 주소 지정 시스템(GLIAS)을 제시한다. 이는 16개 빛줄기의 강도, 주파수, 위상을 독립적이고 민첩하게 제어할 수 있도록 하며, 인접 이온 간 상대적 강도 교차 간섭을 10⁻⁴ 수준으로 달성하여 확장 가능한 트랩된 이온 양자 컴퓨팅에서 교차 간섭에 기인한 게이트 오류를 크게 감소시킨다.

ABSTRACT

Trapped ions are one of the leading platforms for quantum information processing, exhibiting the highest gate and measurement fidelities of all contending hardware. In order to realize a universal quantum computer with trapped ions, independent and parallel control over the state of each qubit is necessary. The manipulation of individual qubit states in an ion chain via stimulated Raman transitions generally requires light focused on individual ions. In this manuscript, we present a novel, guided-light individual addressing system for hyperfine Ba$^+$ qubits. The system takes advantage of laser-written waveguide technology, enabled by the atomic structure of Ba$^+$, allowing the use of visible light to drive Raman transitions. Such waveguides define the spatial mode of light, suppressing aberrations that would have otherwise accumulated in a free-space optics set up. As a result, we demonstrate a nearest neighbour relative intensity crosstalk on the order of 10$^{-4}$, without any active aberration compensation. This is comparable to or better than other previous demonstrations of individual addressing. At the same time, our modular approach provides independent and agile control over the amplitude, frequency, and phase of each channel; combining the strengths of previous implementations.

연구 동기 및 목표

• 낮은 교차 간섭을 갖는 장수의 Ba⁺ 이온 체인에 대한 확장 가능하고 모듈러한 광학 시스템을 개발하기 위해.
• 보편적인 양자 제어를 위해 각 주소 지정 빛줄기의 강도, 주파수, 위상에 대해 독립적이고 민첩한 제어를 달성하기 위해.
• 인접 이온 간 강도 교차 간섭을 10⁻⁴ 이하로 감소시켜 고장내성 양자 컴퓨팅 임계치에 가까워지기 위해.
• 레이저로 기록된 웨이브가이드와 광섬유 기반 기술과의 호환성을 위해 Ba⁺에서의 가시광선 영역 라만 전이를 활용하기 위해.
• 493 nm에서의 호환 가능한 상태 검출을 통해 중간 회로 측정과 고정밀도 양자 오류 수정을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 시스템은 비틀림을 억제하고 빛의 공간 모드를 정의하기 위해 파장 레이저 직접적작도(FLDW) 기술을 사용하여 레이저로 기록된 웨이브가이드 분할기를 제작한다.
• 광섬유 커플드 형광모듈레이터(AOM)는 각 빛줄기 채널의 진폭, 주파수, 위상에 대해 독립적이고 민첩한 제어를 제공한다.
• 62.5× 축소 시스템은 빛줄기를 이온 평면에서 0.9 µm의 백색부위로 집중시켜 일반적인 이온 체인의 이온 간격과 일치시킨다.
• 마이크로 렌즈 어레이(MLA)는 웨이브가이드에서 목표 렌즈로 빛을 커플링하기 위해 사용되지만, 교차 간섭의 비대칭성을 유발할 수 있다.
• 강도 교차 간섭은 1.12 µm 픽셀을 가진 Raspberry Pi Noir V2 카메라를 사용하여 이온 평면에서 빛줄기 프로파일을 촬영하여 측정된다.
• 시스템은 모듈러하게 설계되어 웨이브가이드 칩의 교체 시 재조정이 필요 없으며, 향후 고대비 통합 웨이브가이드와도 호환된다.

Figure 1: (a) Schematic of the GLIAS, starting with the splitting done by the laser-written waveguide, modulation of the frequency and intensity of the light with fiber AOMs, temporal overlapping of the individual beams with delay stages, and spacial mode-matching of the ion chain with a micro-lens

실험 결과

연구 질문

• RQ1 레이저로 기록된 웨이브가이드를 사용하는 가이드드 라이트 시스템이 Ba⁺ 큐비트의 개별 주소 지정에서 10⁻⁴ 이하의 강도 교차 간섭을 달성할 수 있는가?
• RQ2 광섬유 커플드 AOM이 트랩된 이온 시스템에서 다수의 빛줄기의 강도, 주파수, 위상에 대해 독립적이고 민첩한 제어를 제공할 수 있는가?
• RQ3 Ba⁺에서의 가시광선 영역 라만 전이 사용이 UV 기반 시스템에 비해 웨이브가이드 및 광섬유 기반 기술과의 통합에 더 유리한가?
• RQ4 활성 위상 보정 없이도 교차 간섭 수준을 10⁻⁴ 이하로 낮출 수 있는가? 이는 고정밀도 단일 큐비트 게이트를 보장한다.
• RQ5 493 nm 상태 검출과의 호환성을 통해 중간 회로 측정과 양자 오류 수정을 지원할 수 있는가?

주요 결과

• 활성 위상 보정 없이도 인접 이온 간 상대적 강도 교차 간섭이 약 10⁻⁴ 수준으로 달성되었다.
• 첫 번째 세 채널에 대해 교차 간섭은 약 10⁻³ 수준이고, 나머지 채널은 10⁻⁴ 수준이었으며, 이는 MLA 제작의 비완전성으로 인한 비대칭성으로 보인다.
• 빛줄기 피크에서 4 µm 떨어진 곳에서 교차 간섭은 약간 10⁻⁴를 초과했으며, 이는 이온 평면에서의 측정 결과와 일치한다.
• 교차 간섭에 기인한 라만 주파수 오차는 약 1%로 추정되며, 이는 최신 기술 수준과 유사하다.
• 양측 라만 빛줄기 모두를 개별 주소 지정함으로써 라만 주파수 오차는 0.01%로 감소하였으며, 고장내성 양자 오류 수정의 요구 조건을 충족시켰다.
• 모듈러한 설계 덕분에 재조정 없이도 웨이브가이드 칩 교체 및 시스템 업그레이드가 가능하여 더 큰 이온 체인으로의 확장성을 지원한다.

Figure 2: (a) Telecentric re-imaging system for mapping the microlens array (MLA) image onto the ion plane. The beam shape at the ion is elliptical, with a size orthogonal to the chain that is 4 times larger than that along the chain. This was done to reduce the magnitude of intensity fluctuations o