[论文解读] 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 16

一句话总结

本文提出一种基于薄膜铌酸锂（TFLN）的可扩展、可重构光子集成电路，用于在可见光波段实现对原子系统的高精度、多通道光学控制。该系统可实现16路光束的亚纳秒级定时分辨率与均匀的功率分布，通过钻石中硅空位中心的空间与光谱寻址得到验证，为大规模、可独立寻址的量子系统铺平道路。

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.

研究动机与目标

• 为克服块状光学元件与电信波段集成光子学在控制具有可见光跃迁的原子系统方面的局限性。
• 通过集成的可见光调制器，实现对空间分布原子的可扩展、高带宽、可重构光学控制。
• 在多个光学通道中实现精确的光谱-时间波形整形，同时最小化串串扰与功率偏差。
• 通过紧凑的光子平台，实现对随机定位的钻石中硅空位中心的动态空间与光谱寻址。
• 开发一种与CMOS电子兼容、可扩展至数千通道的光子架构，以满足容错量子计算的需求。

提出的方法

• 该系统采用在薄膜铌酸锂（TFLN）上制造的16通道集成光子器件，在可见光波段（约780 nm）实现主动、高带宽的光学调制。
• 结合自由空间光学、全息光束整形与实时反馈控制，以稳定时间与通道间功率偏差。
• 使用25 GS/s任意波形发生器（AWG）以亚纳秒分辨率驱动调制器，实现复杂光谱-时间波形。
• 该架构采用闭环控制系统，校正各通道间的幅度与相位漂移，确保功率均匀性与稳定性。
• 通过空间光调制器（SLM）与基于相机的反馈实现空间寻址，支持在二维阵列中动态选择目标原子。
• 系统通过EMCCD成像与泊松统计误差估计进行校准，以验证脉冲保真度与光谱响应。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于薄膜铌酸锂的光子集成电路能否在可见光波段实现高带宽、多通道光学控制？
• RQ2 如何在16个独立寻址的光学光束之间保持通道间功率与定时的均匀性？
• RQ3 该平台在多大程度上可实现对钻石中随机定位的人工原子的动态、空间与光谱寻址？
• RQ4 集成调制器在量子控制应用中可实现的切换带宽与时间分辨率是多少？
• RQ5 该架构能否扩展至数千通道，同时保持与CMOS电子及容错量子计算要求的兼容性？

主要发现

• 16通道TFLN光子集成电路结合25 GS/s任意波形发生器，实现了亚纳秒级定时分辨率，支持精确的光谱-时间控制。
• 通道间功率偏差稳定在5%以内，证明了多光束传输的高均匀性。
• 通过2.5–5 GHz频率扫频的啁啾脉冲序列，实现了硅空位中心的光谱寻址，频率分辨率达20 MHz，确保可见性。
• 通过相机成像80 ns脉冲在5秒积分时间内的表现，验证了空间寻址效果，重复序列中光束图案稳定。
• 系统在每个设定点的上升时间仅为8 ns，尽管为全集成设计，性能仍与商用声光调制器相当。
• 该平台实现了对二维阵列中单个原子位点的动态、可重构控制，具备扩展至数千通道的潜力。