[논문 리뷰] Scalable photonic integrated circuits for programmable control of atomic systems

Adrian J. Menssen, Artur Hermans외 11명|arXiv (Cornell University)|2022. 10. 06.

Photonic and Optical Devices인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 원자 시스템의 고속·고정밀 광학 제어를 위한 실리카 질화물 기반의 확장 가능한 광집적회로(APIC) 플랫폼을 제안한다. 16채널의 APIC는 780 nm에서 5.8 ns의 스위칭 시간과 -30 dB 이하의 외부 비율을 달성하여, 대규모 양자 기술에 필수적인 CMOS 호환성, 다중 채널, 가시광선에서 가까운 적외선까지의 프로그래머블 제어를 실현한다.

ABSTRACT

Advances in laser technology have driven discoveries in atomic, molecular, and optical (AMO) physics and emerging applications, from quantum computers with cold atoms or ions, to quantum networks with solid-state color centers. This progress is motivating the development of a new generation of "programmable optical control" systems, characterized by criteria (C1) visible (VIS) and near-infrared (IR) wavelength operation, (C2) large channel counts extensible beyond 1000s of individually addressable atoms, (C3) high intensity modulation extinction and (C4) repeatability compatible with low gate errors, and (C5) fast switching times. Here, we address these challenges by introducing an atom control architecture based on VIS-IR photonic integrated circuit (PIC) technology. Based on a complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) fabrication process, this Atom-control PIC (APIC) technology meets the system requirements (C1)-(C5). As a proof of concept, we demonstrate a 16-channel silicon nitride based APIC with (5.8$\pm$0.4) ns response times and -30 dB extinction ratio at a wavelength of 780 nm. This work demonstrates the suitability of PIC technology for quantum control, opening a path towards scalable quantum information processing based on optically-programmable atomic systems.

연구 동기 및 목표

• 수천 개의 개별적으로 주소 지정 가능한 원자를 포함하는 양자 시스템에서의 확장 가능한 일관성 있는 광학 제어 문제를 해결한다.
• 다중 채널 고속 광학 제어에서 대체로 사용되는 부피가 큰 음향-광학 모듈레이터의 한계를 극복한다.
• 양자 정보 처리를 위한 가시광선 및 가까운 적외선 파장에 대응하는 광집적회로 플랫폼을 개발한다.
• 신뢰할 수 있는 양자 게이트 작동을 위해 고외부 비율, 빠른 스위칭, 낮은 오류율을 달성한다.
• CMOS 제조 공정을 통해 전자 제어 회로와의 공통 집적화를 가능하게 하여 시스템의 확장성을 확보한다.

제안 방법

• 실리카 질화물 기반 플랫폼에 알루미늄 질화물(AlN) 편광성 액추에이터를 탑재한 16채널 듀얼링-보조 마이크로존더 모듈레이터(DRMZM) 어레이를 설계 및 제작한다.
• 500 °C 이하의 온도에서 수행되는 CMOS 호환 200 mm 웨이퍼 공정을 활용하여 전자 드라이버 및 피드백 회로와의 공통 집적화를 가능하게 한다.
• 링 공명기의 편광성 액추에이터를 통한 전압 프로그래머블 위상 이동을 구현하여 고외부 비율 조절을 달성한다.
• 제조 과정에서 발생하는 주파수 변동에 대비해 링 공명기의 강한 과도결합을 구현하여 공명 안정성을 확보한다.
• 125 MS/s, ±15 V의 고대역 전자 드라이버(8000 V/µs의 슬루프 속도)를 활용하여 6 ns 이내의 스위칭 시간을 실현한다.
• 제조 비균일성을 보완하기 위해 블루 빛 트리밍을 적용하여 링 공명기 주파수를 정밀하게 보정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 AlN 편광성 액추에이터를 탑재한 광집적회로가 양자 제어 응용 분야에서 6 ns 이내의 스위칭 속도를 달성할 수 있는가?
• RQ2 대규모 APIC에서 발생하는 링 공명기 주파수의 제조 유도 변동은 어느 정도 보상될 수 있는가?
• RQ3 CMOS 호환 실리카 질화물 광집적회로(PIC)가 가시광선 파장(780 nm)에서 고외부 비율(30 dB 이상) 조절을 지원할 수 있는가?
• RQ4 확장 가능한 양자 시스템을 위해 고속 광학 모듈레이터를 단일 칩에 전자 제어 회로와 함께 집적화하는 것이 가능한가?
• RQ5 실제 운영 조건 하에서 다중 채널 APIC 플랫폼에서 광 펄스의 도달 가능한 정밀도는 얼마인가?

주요 결과

• APIC는 10–90% 상승 시간이 (5.8 ± 0.4) ns로 측정되어, 빠른 양자 제어에 적합한 6 ns 이내의 스위칭 속도를 확보한다.
• 780 nm에서 외부 비율이 -30 dB 이하로 측정되어 정밀한 광학 진폭 제어를 위한 넓은 동적 범위를 나타낸다.
• 'on' 상태에서 펄스 정밀도 오차가 2.5 × 10⁻⁶로 측정되어 높은 게이트 정밀도와 낮은 오류율을 입증한다.
• 블루 빛 트리밍을 통해 제조 과정에서 발생한 링 공명기 주파수 변동이 효과적으로 보정되어 채널 간 균일한 성능을 확보했다.
• 1.6 µm에서 웨트 레벨의 광학 출력을 처리할 수 있는 고출력 작동을 지원하여 고출력 응용 분야로의 확장 가능성을 보여준다.
• AlN 편광성 액추에이터의 사용은 측정된 작동 효율 0.4 pm/V를 기반으로 빠르고 전압 프로그래머블 위상 이동을 가능하게 하여 이전 연구 결과와 일관성을 보인다.