[논문 리뷰] Integrating a fiber cavity into a wheel trap for strong ion-cavity coupling

Markus Teller, Viktor Messerer외 6명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 28.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 통합된 섬유 패배-페로 캐비티를 갖춘 휠 트랩 이온 트랩을 제안하며, 다수의 40Ca+ 이온과 광자 간의 강한 결합을 가능하게 한다. 캐비티를 트랩 축에 따라 정렬하고 섬유 거울 표면의 잔류 전하를 보상함으로써, 시스템은 진공 라비 분할 2π × 16.6(3) MHz를 달성하여, 낮은 마이크로모션과 낮은 가열 속도를 동반한 강한 결합 영역에서의 작동을 확인한다.

ABSTRACT

Data of the paper "Integrating a fiber cavity into a wheel trap for strong ion-cavity coupling"

연구 동기 및 목표

• 확장 가능한 양자 네트워크를 위한 다수의 트랩된 이온과 섬유 기반 광학 캐비티 간의 강한 결합을 가능하게 하기 위해.
• 트랩 축에 캐비티를 통합하여 다중 이온 시스템에서 과도한 마이크로모션을 제거하기 위해.
• 절연체 섬유 거울의 표면 전하의 영향을 트랩 전극 보상으로 완화하기 위해.
• 소형의 섬유 통합 이온-캐비티 시스템에서 마이크로모션과 가열 속도를 측정하기 위해.
• 소형화되고 섬유로 연결된 플랫폼에서 다중 이온 강한 결합의 실험적 실현 가능성을 입증하기 위해.

제안 방법

• 선형 파울 휠 트랩의 빈 DC 전극에 섬유 패배-페로 캐비티(FFPC)를 통합하며, 전하 축적을 줄이기 위해 섬유 거울을 10(2) µm 깊이로 함몰시킴.
• 표면 전하 및 거울 위치가 이온 트랩 포텐셜에 미치는 영향을 모델링하기 위해 유한요소 분석 및 COMSOL 시뮬레이션을 사용함.
• x-y 평면에서의 마이크로모션을 최소화하고 z축 방향으로 이온 위치를 안정화하기 위해 보상 전극을 활용함.
• 세라믹 V자 홈에 있는 피에조 액추에이터를 통해 캐비티 길이를 안정화하기 위해 파운드-드레버-홀드 피드백을 적용함.
• CO2 레이저 에이블레이션을 사용하여 섬유 표면에 근사 구형의 고정밀도 거울(정밀도 = 9.2(2)×10⁴)을 제작하며, 곡률 반경은 각각 318(5) µm 및 312(5) µm임.
• 초고진공(<1×10⁻¹⁰ mbar) 조건에서 40Ca+ 이온을 트랩하고, 레이저 분광법을 사용하여 마이크로모션과 가열 속도를 측정함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 소형의 통합 트랩 설계에서 다수의 이온과 섬유 캐비티 간의 강한 결합을 달성할 수 있는가?
• RQ2 절연체 섬유 거울의 표면 전하는 이온 트랩 포텐셜과 마이크로모션에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 캐비티를 트랩 축에 따라 정렬하고 보상 전극을 사용함으로써 다중 이온 시스템에서 마이크로모션을 최소화할 수 있는가?
• RQ4 통합된 이온-캐비티 시스템에서의 가열 속도와 마이크로모션 수준은 테스트 설정과 비교하여 어떻게 되는가?
• RQ5 트랩 전극 제어를 통해 표면 전하의 영향을 능동적으로 보상할 수 있는가?

주요 결과

• 40Ca+ 이온의 |32D5/2⟩에서 |42P3/2⟩ 전이에 대해 이온-캐비티 결합 강도는 g = 2π × 16.6(3) MHz에 도달하며, 자발적 방출 속도 γPS = 2π × 10.74 MHz를 초과한다.
• 진공 라비 분할 2π × 16.6(3) MHz가 관측되어 강한 결합 영역에서의 작동이 확인되었다.
• 시뮬레이션 결과 섬유 거울의 표면 전하는 트랩 포텐셜에 상당한 교란을 유도하지만, 실험적으로 트랩 전극 보상으로 이를 보완함을 확인하였다.
• 측정된 마이크로모션 진폭은 100 nm 이하로 낮아 과도한 마이크로모션의 효과적인 억제를 나타낸다.
• 테스트 설정과 통합 시스템에서의 가열 속도는 각각 1.5(2) 및 2.1(3) 퀘이런트/100초로 측정되었으며, 표면 전기장 노이즈와 일치함을 확인하였다.
• 캐비티 정밀도는 9.2(2)×10⁴에 도달하였고, 대역폭은 κ = 2π × 1.61(3) MHz로 측정되어 고정밀도 양자 인터페이스를 가능하게 하였다.