[論文レビュー] An integrated photonic engine for programmable atomic control

Ian Christen, Madison Sutula+12 more|arXiv (Cornell University)|Aug 13, 2022

Advanced Fiber Laser Technologies被引用数 16

ひとこと要約

本論文は、可視光帯域における原子系の高精度で多チャンネルの光学制御を実現する、スケーラブルで再構成可能な薄膜リン酸リチウム（TFLN）を用いた光集積回路を提案する。このシステムは、16本の光ビームを、1ナノ秒未塔のタイミング分解能と均一な出力パワーでプログラマブルに制御可能であり、ダイヤモンド中のシリコンバケーション中心の空間的およびスペクトル的アドレス指定を通じて実証された。これにより、大規模で個別にアドレス指定可能な量子系の実現が可能になる。

ABSTRACT

Solutions for scalable, high-performance optical control are important for the development of scaled atom-based quantum technologies. Modulation of many individual optical beams is central to the application of arbitrary gate and control sequences on arrays of atoms or atom-like systems. At telecom wavelengths, miniaturization of optical components via photonic integration has pushed the scale and performance of classical and quantum optics far beyond the limitations of bulk devices. However, these material platforms for high-speed telecom integrated photonics are not transparent at the short wavelengths required by leading atomic systems. Here, we propose and implement a scalable and reconfigurable photonic architecture for multi-channel quantum control using integrated, visible-light modulators based on thin-film lithium niobate. Our approach combines techniques in free-space optics, holography, and control theory together with a sixteen-channel integrated photonic device to stabilize temporal and cross-channel power deviations and enable precise and uniform control. Applying this device to a homogeneous constellation of silicon-vacancy artificial atoms in diamond, we present techniques to spatially and spectrally address a dynamically-selectable set of these stochastically-positioned point emitters. We anticipate that this scalable and reconfigurable optical architecture will lead to systems that could enable parallel individual programmability of large many-body atomic systems, which is a critical step towards universal quantum computation on such hardware.

研究の動機と目的

• 可視光遷移を用いた原子系制御におけるボリューム光学および光通信帯域の集積光子回路の限界を克服すること。
• 集積可視光変調器を用いて、空間的に分散した原子をスケーラブルで高帯域幅かつ再構成可能な光学で制御すること。
• 最小限のクロストークと出力パワーの偏りで、複数の光学チャンネルにわたる精密なスペクトル的・時間的波形整形を達成すること。
• コンactな光子プラットフォームを用いて、ダイヤモンド中の確率的に配置されたシリコンバケーション中心の動的かつ空間的・スペクトル的アドレス指定を実証すること。
• CMOSエレクトロニクスと互換性があり、数千チャンネルにスケーリング可能な光子アーキテクチャを構築することにより、フォールトトレラント量子計算に適合させること。

提案手法

• 本システムは、薄膜リン酸リチウム（TFLN）基板上にフォーマットされた16チャンネルの集積光子デバイスを用い、可視光帯域（約780 nm）でアクティブかつ高帯域幅の光学変調を実現する。
• 自由空間光学、ホログラフィックビーム形成、およびリアルタイムフィードバック制御を統合し、時間的およびチャネル間の出力パワーのずれを安定化する。
• 25 GS/sの任意波形発生器（AWG）が、1ナノ秒未塔の分解能で変調器を駆動し、複雑なスペクトル的・時間的波形を生成可能である。
• 閉ループ制御システムを採用し、チャネル間の振幅および位相のドリフトを補正することで、均一性と安定性を確保する。
• 空間的アドレス指定は、空間光変調器（SLM）とカメラベースのフィードバックを用い、2次元アレイ内のターゲット原子の動的選択を可能にする。
• EMCCD撮影とポisson統計的誤差推定を用いてシステムをキャリブレーションし、パルス忠実度およびスペクトル応答を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 薄膜リン酸リチウムを基盤とする光集積回路は、可視光帯域で高帯域幅かつ多チャンネルの光学制御を達成できるか？
• RQ2 16本の独立してアドレス指定可能な光ビームにおいて、チャネル間の出力パワーとタイミングの均一性をどのように維持できるか？
• RQ3 このプラットフォームは、ダイヤモンド中の確率的に配置された人工原子に対して、どれほど動的かつ空間的・スペクトル的アドレス指定を可能にするか？
• RQ4 集積変調器のスイッチング帯域幅および時間分解能は、量子制御用途においてどの程度達成可能か？
• RQ5 このアーキテクチャは、CMOSエレクトロニクスと互換性を保ちながら、数千チャンネルにスケーリング可能か？

主な発見

• 16チャンネルのTFLN光集積回路は、25 GS/sの任意波形発生器を用い、1ナノ秒未塔のタイミング分解能を達成し、精密なスペクトル的・時間的制御を実現した。
• チャネル間の出力パワーのずれは、全チャネルで5%未塔に安定化され、多ビーム配信における高い均一性を示した。
• 周波数スイープ範囲2.5–5 GHz、20 MHzのチャンク解像度を有するチープドパルスシーケンスを用いて、シリコンバケーション中心のスペクトル的アドレス指定を達成した。
• カメラ撮影による80 nsパルスの5秒間の積算により、空間的アドレス指定が実証され、繰り返し実行においても安定したビームパターンが得られた。
• 1セットポイントあたりの立ち上がり時間は8 nsであり、完全に集積化されたにもかかわらず、商用の音響光変調器と同等の性能を示した。
• 本プラットフォームは、2次元アレイ内の個々の原子サイトに対して動的かつ再構成可能な制御を可能とし、数千チャンネルへのスケーリングの可能性を有する。