[논문 리뷰] An integrated photonic engine for programmable atomic control

Ian Christen, Madison Sutula외 12명|arXiv (Cornell University)|2022. 08. 13.

Advanced Fiber Laser Technologies인용 수 16

한 줄 요약

이 논문은 투명한 펄스를 이용한 고정밀 다중채널 광학 제어를 위한 확장 가능하고 재구성 가능한 광집적 회로를 얇은 필름 리튬니오브산탄(Thin-Film Lithium Niobate, TFLN) 기반으로 제시한다. 이 시스템은 16개의 광학 빔에 대해 피크 나노초 이내의 정밀한 시간 해상도와 균일한 전력 분포를 제공하며, 다이아몬드 내 실리콘-빈약 중심의 공간 및 스펙트럼 주소 지정을 통해 검증되었다. 이는 대규모로 개별적으로 제어 가능한 양자 시스템으로의 길을 열어준다.

ABSTRACT

Solutions for scalable, high-performance optical control are important for the development of scaled atom-based quantum technologies. Modulation of many individual optical beams is central to the application of arbitrary gate and control sequences on arrays of atoms or atom-like systems. At telecom wavelengths, miniaturization of optical components via photonic integration has pushed the scale and performance of classical and quantum optics far beyond the limitations of bulk devices. However, these material platforms for high-speed telecom integrated photonics are not transparent at the short wavelengths required by leading atomic systems. Here, we propose and implement a scalable and reconfigurable photonic architecture for multi-channel quantum control using integrated, visible-light modulators based on thin-film lithium niobate. Our approach combines techniques in free-space optics, holography, and control theory together with a sixteen-channel integrated photonic device to stabilize temporal and cross-channel power deviations and enable precise and uniform control. Applying this device to a homogeneous constellation of silicon-vacancy artificial atoms in diamond, we present techniques to spatially and spectrally address a dynamically-selectable set of these stochastically-positioned point emitters. We anticipate that this scalable and reconfigurable optical architecture will lead to systems that could enable parallel individual programmability of large many-body atomic systems, which is a critical step towards universal quantum computation on such hardware.

연구 동기 및 목표

• 가시광선 전이를 갖는 원자 시스템을 제어하는 데 있어 대체로 사용되는 광학 장치와 통신 파장 대역의 통합 광학 장치의 한계를 극복하기 위해.
• 통합된 가시광선 조절기들을 사용하여 공간적으로 분포된 원자에 대해 확장 가능하고 고대역폭이며 재구성 가능한 광학 제어를 가능하게 하기 위해.
• 최소한의 교차 간섭과 전력 편차를 동반하면서도 다수의 광학 채널에 걸쳐 정밀한 스펙트로-시간 형태 제어를 달성하기 위해.
• 작은 광학 플랫폼을 사용하여 다이아몬드 내 무작위로 위치한 실리콘-빈약 중심에 대해 동적이고 공간적, 스펙트럼적 주소 지정을 실현하기 위해.
• CMOS 전자기기와 호환되며, 고장 내성 양자 계산 요구 조건을 충족하면서 수천 개의 채널으로까지 확장 가능한 광학 아키텍처를 개발하기 위해.

제안 방법

• 시스템은 얇은 필름 리튬니오브산탄(TFLN) 기반으로 제작된 16채널 통합 광학 장치를 사용하여 약 780 nm의 가시광선 파장에서 활성적이고 고대역폭의 광학 조절을 제공한다.
• 공간적 광학, 히알로그래픽 빔 형상 조절, 실시간 피드백 제어를 조합하여 시간적 및 채널 간 전력 편차를 안정화시킨다.
• 25 GS/s의 고유파형 생성기(AWG)가 피크 나노초 이내의 해상도로 조절기를 구동하여 복잡한 스펙트로-시간 웨이브폼을 구현한다.
• 채널 간의 진폭 및 위상 이격을 보정하기 위해 닫힌 루프 제어 시스템을 사용하여 균일성과 안정성을 확보한다.
• 공간 주소 지정은 공간 광학 조절기(SLM)와 카메라 기반 피드백을 통해 실현되며, 2차원 배열 내 목표 원자를 동적으로 선택할 수 있다.
• 시스템은 EMCCD 영상 촬영과 포isson 통계 오차 추정을 통해 캘리브레이션되어 펄스 충실도와 스펙트럼 반응을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 얇은 필름 리튬니오브산탄 기반 광집적 회로가 가시광선 파장에서 고대역폭 및 다중채널 광학 제어를 달성할 수 있는가?
• RQ2 16개의 독립적으로 주소 지정 가능한 광학 빔 간에 전력 및 시간의 균일성을 어떻게 유지할 수 있는가?
• RQ3 이 플랫폼이 다이아몬드 내 무작위로 위치한 인공 원자에 대해 동적이고 공간적, 스펙트럼적 주소 지정을 얼마나 잘 실현할 수 있는가?
• RQ4 이 통합 조절기의 스위칭 대역폭과 시간 해상도는 양자 제어 응용에 있어 얼마나 달성 가능한가?
• RQ5 이 아키텍처는 CMOS 전자기기와 호환되며 고장 내성 양자 계산 요구 조건을 충족하면서도 수천 개의 채널으로 확장 가능한가?

주요 결과

• 16채널 TFLN 광집적 회로는 25 GS/s 고유파형 생성기를 사용하여 피크 나노초 이내의 정밀한 시간 해상도를 달성하여 정밀한 스펙트로-시간 제어를 실현하였다.
• 채널 간 전력 편차는 모든 채널에서 5% 이내로 안정화되어 다중빔 공급의 높은 균일성을 입증하였다.
• 2.5–5 GHz 주파수 스윕 범위에서 채널된 펄스 시퀀스를 사용하여 실리콘-빈약 중심의 스펙트럼 주소 지정을 달성하였으며, 가시성을 확보하기 위해 20 MHz의 분할 해상도를 적용하였다.
• 5초 간의 통합 동안 80 ns 펄스의 카메라 영상 촬영을 통해 공간 주소 지정이 실현되었으며, 반복적인 시퀀스에서 안정된 빔 패턴을 보였다.
• 셋포인트 당 리즈타임이 8 ns로 측정되어, 완전히 통합된 구조임에도 불구하고 상용 초음파 광학 조절기와 경쟁 가능한 성능을 보였다.
• 이 플랫폼은 2차원 배열 내 개별 원자 위치에 대해 동적이고 재구성 가능한 제어를 가능하게 하며, 수천 개의 채널으로의 확장 가능성이 있다.