[논문 리뷰] Trapped ion qubit and clock operations with a visible wavelength photonic coil resonator stabilized integrated Brillouin laser

Nitesh Chauhan, Christopher Caron외 6명|arXiv (Cornell University)|2024. 02. 26.

Mechanical and Optical Resonators인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 시각 파장 브릴루앙 레이저로 고정된 통합 Si3N4 3미터 코일 참조 공동 공진기를 이용하여 포획 Sr+ 이온에서 칩 규모의 광학 시계 및 큐비트 동작을 시연하며, 99% SPAM, 6 kHz 선폭, 60 μs 램지 코히어런스 및 1 s에서 5×10^-13/√τ 안정성을 달성한다.

ABSTRACT

Integrating precise, stable, ultra-low noise visible light lasers into atomic systems is critical for advancing quantum information sciences and improving scalability and portability. Trapped ions are a leading approach for high-fidelity quantum computing, high-accuracy optical clocks, and precision quantum sensors. However, current ion-based systems rely on bulky, lab-scale precision lasers and optical stabilization cavities for optical clock and qubit operations, constraining the size, weight, scalability, and portability of atomic systems. Chip-scale integration of ultra-low noise lasers and reference cavities operating directly at optical clock transitions and capable of qubit and clock operations will represent a major transformation in atom and trapped ion-based quantum technologies. However, this goal has remained elusive. Here we report the first demonstration of chip-scale optical clock and qubit operations on a trapped ion using a photonic integrated direct-drive visible wavelength Brillouin laser stabilized to an integrated 3-meter coil-resonator reference cavity and the optical clock transition of a $^{88}$Sr$^+$ ion trapped on a surface electrode chip. We also demonstrate for the first time, to the best of our knowledge, trapped-ion spectroscopy and qubit operations such as Rabi oscillations and high fidelity (99%) qubit state preparation and measurement (SPAM) using direct drive integrated photonic technologies without bulk optic stabilization cavities or second harmonic generation. Our chip-scale stabilized Brillouin laser exhibits a 6 kHz linewidth with the 0.4 Hz quadrupole transition of $^{88}$Sr$^+$ and a self-consistent coherence time of 60 $μ$s via Ramsey interferometry on the trapped ion qubit. Furthermore, we demonstrate the stability of the locked Brillouin laser to 5$ imes10^{-13}/ \sqrtτ$ at 1 second using dual optical clocks.

연구 동기 및 목표

• 이식성과 신뢰성을 위해 포획 이온 시스템에 초저잡음 가시광 레이저를 통합하는 동기를 부여한다.
• 674 nm SBS 레이저를 3미터 코일 공진기에 칩 규모로 안정화하고 Sr+ 광학 시계 전이로 절대 락하는 것을 시연한다.
• 집적 광학 기술을 이용한 완전한 포획 이온 분광법, 고충실도 SPAM, 라비 진동, 램지 코히어런스를 보여준다.

제안 방법

• 674 nm SBS 레이저를 실리콘 질화물 플랫폼에 직접 구동으로 구현한다.
• SBS 레이저를 고Q, 저손실의 광학적 3미터 코일 공진기 참조 공동에 안정화한다.
• 클락 프로토콜을 큐비트 동작과 인터리브(interleave)하여 674 nm Sr+ 광학 시계 전이에 절대 락한다.
• 두 개의 독립적인 광학 시계를 교대로 인터리브하여 절대 안정성 및 드리프트를 측정한다.
• 포획 이온 분광법, 램지 간섭, 라비 진동을 통해 레이저 성능을 특성화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 집적 코일 공동 공진기에 안정화된 칩 규모 브릴루앙 레이저가 고충실도 포획 이온 큐비트 동작을 지원할 수 있는가?
• RQ2 가시 파장 레이저를 통합 코일 공진기와 Sr+ 시계 전이로 안정화할 때 달성 가능한 선폭, 코히어런스 및 안정성은 무엇인가?
• RQ3 시계 안정화를 큐비트 동작과 교대로 실행하는 것이 견고하고 휴대 가능한 포획 이온 양자 감지 및 시간 측정을 가능하게 하는가?
• RQ4 완전하게 집적된 광학 안정화를 포획 이온 칩에서 구현했을 때 가능한 SPAM 충실도와 분광해상도는 무엇인가?

주요 결과

• SBS 레이저의 자유운용 12 Hz 선폭을 시연했다; 코일 공진기에 락될 때 580 Hz ILW; 이온 시계 전이에 락될 때 6 kHz 선폭.
• 코일+이온 안정화 레이저를 사용한 큐비트 상태 준비 및 측정에서 99% SPAM 충실도 달성, SBS+코일+이온이 더 높은 코히어런스를 가능하게 함.
• 램지 코히어런스 시간은 33 μs(코일+이온)에서 60.5 μs(SBS+코일+이온)로 확장됐다.
• Sr+ 광학 시계 전이에 락될 때 절대 레이저 안정성은 300 Hz 이내; 1 s에서 5×10^-13/√τ의 장기 안정성 및 1분 동안 ±4 kHz 드리프트.
• 센티미터 규모 칩에서 교대로 시계와 큐비트 동작을 시연하여 휴대 가능한 포획 이온 양자 감지 및 시계를 가능하게 했다.