[论文解读] Integrated optical control and enhanced coherence of ion qubits via multi-wavelength photonics

Robert Niffenegger, Jules Stuart+10 more|arXiv (Cornell University)|Jan 14, 2020

Advanced Fiber Laser Technologies被引用 4

一句话总结

本文展示了一款与CMOS工艺兼容的单片集成光子芯片，可将从紫外到红外的多种激光波长直接输送至表面电极离子阱，实现对Sr⁺离子量子比特的全面控制。通过使用集成波导和光栅耦合器，借助光纤阵列传输光路，该系统实现了抗振动的量子比特相干性，从而构建出稳定、便携的离子阱量子技术平台。

ABSTRACT

Monolithic integration of control technologies for atomic systems presents a promising route to the development of quantum computers and portable quantum sensors. Trapped atomic ions form the basis of high-fidelity quantum information processors and high-accuracy optical clocks, but currently rely on free-space optics for ion control, limiting portability and scalability. Here we demonstrate a surface-electrode ion trap which delivers all wavelengths required for ionization, cooling, coherent operations, and quantum-state preparation and detection of Sr$^{+}$ qubits using integrated waveguides and grating couplers. Laser light from the violet to the infrared is coupled onto the chip via an optical-fiber array, creating an inherently stable optical path that we use to demonstrate qubit coherence resilient to platform vibrations. This demonstration of CMOS-compatible integrated-photonic surface-trap fabrication, robust packaging, and enhanced qubit coherence represents a key advance in the development of portable trapped-ion quantum sensors and clocks, and it lights the way toward the complete, individual control of larger numbers of ions in quantum information processing systems.

研究动机与目标

• 通过实现单片光子集成，克服自由空间光学在离子阱量子系统中的局限性，推动可扩展、便携的量子技术发展。
• 开发一种与CMOS兼容的平台，将所有必需的激光波长——电离、冷却、相干操作及状态探测——直接输送至表面电极离子阱。
• 通过采用光纤耦合的片上光路，消除大尺寸光学元件带来的机械不稳定性，从而提升量子比特相干性。
• 展示集成光子组件在适用于实际部署的量子控制平台中的坚固封装与稳定运行。

提出的方法

• 该系统采用单片集成光子芯片，通过波导和光栅耦合器将紫外至红外波段的激光光束引导至离子阱。
• 使用光纤阵列将外部光源的激光光耦合进入芯片，形成稳定、固定的光路，最大限度减少机械漂移。
• 光子芯片采用与CMOS兼容的工艺制造，实现可扩展性，并可与现有半导体技术集成。
• 利用片上组件精确引导激光波长至离子阱，实现电离、侧带冷却、拉曼跃迁及状态读出。
• 整个系统进行封装，以保护光子元件，并在振动等环境扰动下维持对准。
• 在平台振动条件下测量量子比特相干性，以评估系统稳定性，并与传统自由空间系统进行对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 单片集成光子芯片是否能在单一紧凑平台上实现对Sr⁺离子量子比特的全控制所需的所有激光波长？
• RQ2 在机械振动条件下，片上光路的稳定性与自由空间光学相比，在量子比特相干性方面表现如何？
• RQ3 CMOS兼容的制造工艺在多大程度上可实现可扩展且便携的离子阱量子系统？
• RQ4 坚固的封装能否在功能性的离子阱环境中保持集成光子组件的性能？

主要发现

• 集成光子芯片成功实现了从紫外到红外波段的激光光传输，覆盖离子控制所需的全部功能，包括电离、冷却和状态检测。
• 由于采用固有的稳定光纤耦合光路，系统在平台振动下仍能保持量子比特相干性，表现出对机械扰动的强鲁棒性。
• 该系统通过单一单片光子平台实现了对Sr⁺离子量子比特的全控制，无需使用大尺寸光学元件。
• CMOS兼容的制造工艺实现了光子组件与表面电极离子阱的可扩展集成，为更大规模量子处理器铺平道路。
• 坚固的封装有效维持了光子组件的对准与性能，支持便携式量子传感器与原子钟在真实环境中的部署。
• 所展示的平台为未来离子阱量子信息处理与传感提供了稳定、紧凑且可扩展的解决方案。