[논문 리뷰] Multi-zone trapped-ion qubit control in an integrated photonics QCCD device

Carmelo Mordini, Alfredo Ricci Vásquez외 7명|arXiv (Cornell University)|2024. 01. 31.

Quantum Information and Cryptography인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 표면 전극 이온 트랩에 통합된 광학 파이프를 갖춘 트랩드 이온 양자 프로세서를 사용하여 다중 영역 일관성 제어 및 이온 이동을 구현한다. 칩 내 파이프와 격자 커플러를 통해 레이저 빛을 공급함으로써, 375 µm 떨어진 두 영역 간에 200 µs 이동 시간으로 레이저 간섭을 실현하였으며, 유전체 창으로 인한 진동 가열을 최소화하여, 낮은 교차 간섭과 상관된 전기장 노이즈 측정이 가능한 확장 가능한 QCCD 아키텍처를 실현한다.

ABSTRACT

Multiplexed operations and extended coherent control over multiple trapping sites are fundamental requirements for a trapped-ion processor in a large scale architecture. Here we demonstrate these building blocks using a surface-electrode trap with integrated photonic components which are scalable to larger numbers of zones. We implement a Ramsey sequence using the integrated light in two zones, separated by 375 $μ$m, performing transport of the ion from one zone to the other in 200 $μ$s between pulses. In order to achieve low motional excitation during transport, we developed techniques to measure and mitigate the effect of the exposed dielectric surfaces used to deliver the integrated light to the ion. We also demonstrate simultaneous control of two ions in separate zones with low optical crosstalk, and use this to perform simultaneous spectroscopy to correlate field noise between the two sites. Our work demonstrates the first transport and coherent multi-zone operations in integrated photonic ion trap systems, forming the basis for further scaling in the trapped-ion QCCD architecture.

연구 동기 및 목표

• 다중 영역 표면 전극 이온 트랩에 광학 구성 요소를 직접 통합하여 확장 가능한 트랩드 이온 양자 컴퓨팅을 실현한다.
• 칩 내 파이프를 통해 공간적으로 분리된 트랩 영역에 다수의 레이저 파장을 공급하는 데 도전 과제를 해결한다.
• 광학 파이프 구조의 유전체 표면에 노출된 상태에서 발생하는 이온 이동 중 진동 가열을 최소화한다.
• 이온을 사이트 간 이동시키며 레이저 간섭을 통해 다중 영역 간 일관성 제어를 실현한다.
• 분리된 영역에 있는 이온을 병렬로 독립적으로 제어하여 교차 간섭을 측정하고, 사이트 간 전기장 노이즈 상관관계를 분석한다.

제안 방법

• 냉각된 분할형 표면 전극 트랩에 실리콘 nitride(SiN) 파이프와 격자 커플러를 통합하여, 두 개의 별도된 트랩 영역에 빨간색 및 적외선 레이저 빛을 칩 내에서 공급한다.
• 375 µm 떨어진 두 영역 간에 레이저 간섭 실험을 수행하기 위해, 펄스 사이에 이온을 이동시키는 방식으로 분산된 일관성 작동을 실현한다.
• 광학 커플링을 위한 유전체 창으로 인한 전기장 왜곡을 보완하기 위해 운반 프로토콜을 개발하고 校정한다.
• 이중 이온 구조를 활용하여 병렬 스펙트로스코피를 수행하고, 영역 간 광학적 교차 간섭을 측정함으로써 장치 전체에 걸친 전기장 노이즈 상관관계를 분석한다.
• 위상 사이클링 기법을 적용하여 광학 라비 드라이브를 기저 상태 큐비트 작동으로 매핑함으로써 레이저 위상 노이즈에 대한 민감도를 감소시킨다.
• 유전체 표면 영향을 분석하기 위해 진동 모드 옆가닥 스펙트럼을 측정하고, 가열을 최소화하기 위한 운반 경로를 최적화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 칩 내 광학 공급을 통해 다중 공간적으로 분리된 트랩 영역 간에 양자 일관성 작동을 달성할 수 있는가?
• RQ2 이온 경로 근처에 유전체 파이프가 존재할 경우, 이온 이동 중 최소한의 진동 자극으로 이동을 수행할 수 있는가?
• RQ3 통합 광학 기술이 먼 거리의 트랩 사이트 간에 광학적 교차 간섭이나 전기장 노이즈 상관관계를 유발하는 정도는 어느 정도인가?
• RQ4 분리된 영역에 있는 이온을 병렬로 독립적으로 제어하여 낮은 교차 간섭을 확보하고, 확장 가능한 양자 작동을 실현할 수 있는가?
• RQ5 유전체 구조로 인한 모델링된 전기장 분포와 실제 전기장 분포 간의 불일치를 보완하기 위해 운반 프로토콜을 어떻게 校정할 수 있는가?

주요 결과

• 저자들은 통합 광학 빛 공급을 통해 375 µm 떨어진 두 영역 간에 성공적으로 레이저 레이저 간섭 실험을 수행하였다.
• 이온 이동은 200 µs 내에 수행되었고, 최소한의 진동 자극으로 인해 공간적으로 분리된 사이트 간에 일관성 있는 작동이 가능했다.
• 유전체 창으로 인한 진동 가열을 줄이기 위해 전용 운반 캘리브레이션 프로토콜을 도입하여 운반 중 잔여 가열을 낮게 유지하였다.
• 분리된 영역에 있는 두 이온의 동시 스펙트로스코피 측정을 통해 낮은 광학적 교차 간섭을 입증하였으며, 이로써 사이트 간 전기장 노이즈 상관관계를 분석할 수 있었다.
• 위상 사이클링을 통해 라비 드라이브를 적용한 결과, 큐비트 작동이 레이저 위상 변동으로부터 효과적으로 분리되었고, 다중 영역 간 일관성 제어를 실현하였다.
• 광학 파이프와 격자 커플러의 통합을 통해 여러 레이저 파장이 분리된 트랩 영역에 안정적이고 확장 가능한 방식으로 공급될 수 있었다.