[논문 리뷰] Integrated optical control and enhanced coherence of ion qubits via multi-wavelength photonics

Robert Niffenegger, Jules Stuart외 10명|arXiv (Cornell University)|2020. 01. 14.

Advanced Fiber Laser Technologies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 복수의 레이저 파장을 복합적으로 제어할 수 있는 CMOS 호환성 있는 단일체 광학 칩을 개발하여 표면 전극 이온 트랩에 보라색에서 적외선에 이르는 파장의 빛을 직접 공급함으로써 스트리온 이온 큐비트를 완전히 제어하는 데 성공한다. 통합된 웨이브가이드와 격자 커플러를 사용해 광섬유 어레이를 통해 빛을 유도함으로써 기계적 진동에 강한 큐비트 공명을 달성하여 안정적이고 이동 가능한 트랩된 이온 양자 기술 플랫폼을 실현한다.

ABSTRACT

Monolithic integration of control technologies for atomic systems presents a promising route to the development of quantum computers and portable quantum sensors. Trapped atomic ions form the basis of high-fidelity quantum information processors and high-accuracy optical clocks, but currently rely on free-space optics for ion control, limiting portability and scalability. Here we demonstrate a surface-electrode ion trap which delivers all wavelengths required for ionization, cooling, coherent operations, and quantum-state preparation and detection of Sr$^{+}$ qubits using integrated waveguides and grating couplers. Laser light from the violet to the infrared is coupled onto the chip via an optical-fiber array, creating an inherently stable optical path that we use to demonstrate qubit coherence resilient to platform vibrations. This demonstration of CMOS-compatible integrated-photonic surface-trap fabrication, robust packaging, and enhanced qubit coherence represents a key advance in the development of portable trapped-ion quantum sensors and clocks, and it lights the way toward the complete, individual control of larger numbers of ions in quantum information processing systems.

연구 동기 및 목표

• 자기장에 의존하는 자유공간 광학의 한계를 극복하기 위해 확장 가능하고 이동 가능한 양자 기술을 위한 단일체 광학 통합을 실현하고자 한다.
• 이온 이온화, 냉각, 공명 작용, 상태 검출에 필요한 모든 레이저 파장을 표면 전극 이온 트랩에 직접 공급할 수 있는 CMOS 호환 플랫폼을 개발하고자 한다.
• 외부 기계적 불안정성으로 인한 손상을 방지하기 위해 광섬유 커플링을 통한 칩 내 광경로를 구현함으로써 큐비트 공명 수명을 향상시키고자 한다.
• 실세계 적용에 적합한 양자 제어 플랫폼에서 통합 광학 구성 요소의 견고한 패키징과 안정적인 작동을 실험적으로 입증하고자 한다.

제안 방법

• 시스템은 보라색에서 적외선 스펙트럼에 이르는 레이저 빛을 이온 트랩에 도달시키기 위해 웨이브가이드와 격자 커플러를 내장한 단일체 광학 칩을 사용한다.
• 외부 레이저 소스에서 유입되는 빛을 광섬유 어레이를 통해 칩에 커플링함으로써 기계적 이완을 최소화하는 고정된 광경로를 확보한다.
• 광학 칩은 CMOS 호환 공정을 사용해 제작되어 확장성과 기존 반도체 기술과의 통합이 가능하다.
• 칩 내 구성 요소를 활용해 이온 이온화, 사이드밴드 냉각, 라만 전이, 상태 읽기 등에 필요한 레이저 파장을 정밀하게 이온 트랩에 도달시킨다.
• 모든 시스템은 환경적 요동(예: 진동)에 의해 발생할 수 있는 정렬 이탈을 방지하기 위해 광학 구성 요소를 보호하고 유지하는 패키징을 적용한다.
• 플랫폼의 진동 조건 하에서 큐비트 공명 수명을 측정하여 안정성을 평가하였으며, 전통적인 자유공간 광학 시스템과의 결과를 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일체 광학 칩이 하나의 컴act한 플랫폼에서 Sr⁺ 이온 큐비트를 완전히 제어하기 위해 필요한 모든 레이저 파장을 효과적으로 공급할 수 있는가?
• RQ2 기계적 진동 조건 하에서 칩 내 광경로의 안정성은 자유공간 광학 대비 큐비트 공명 수명에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 CMOS 호환 제조 공정은 확장 가능하고 이동 가능한 트랩된 이온 양자 시스템을 얼마나까지 실현할 수 있는가?
• RQ4 견고한 패키징은 기능적인 이온 트랩 환경에서 통합 광학 구성 요소의 성능을 유지할 수 있는가?

주요 결과

• 통합 광학 칩은 이온 이온화, 냉각, 상태 검출에 필요한 보라색에서 적외선 스펙트럼의 레이저 빛을 성공적으로 공급하였다.
• 광섬유 커플링을 통한 칩 내 고정된 광경로 덕분에 기계적 진동 조건 하에서도 큐비트 공명 수명이 유지되었으며, 기계적 요동에 대한 저항성이 입증되었다.
• 단일한 단일체 광학 플랫폼을 통해 Sr⁺ 이온 큐비트를 완전히 제어함으로써 대형 광학 장치가 필요 없어졌다.
• CMOS 호환 제조 공정을 통해 표면 전극 이온 트랩과 광학 구성 요소를 확장 가능하게 통합함으로써 더 큰 규모의 양자 프로세서 개발의 길을 열었다.
• 견고한 패키징은 광학 구성 요소의 정렬과 성능을 유지하여 이동 가능한 양자 센서 및 시계의 실세계 적용을 지원한다.
• 제시된 플랫폼은 향후 트랩된 이온 양자 정보 처리 및 센서 기술을 위한 안정적이고 컴act하며 확장 가능한 솔루션을 제공한다.