[论文解读] Multi-zone trapped-ion qubit control in an integrated photonics QCCD device

Carmelo Mordini, Alfredo Ricci Vásquez+7 more|arXiv (Cornell University)|Jan 31, 2024

Quantum Information and Cryptography被引用 4

一句话总结

本文通过集成光子波导的表面电极离子阱，首次实现了在 trapped-ion 量子处理器中对多区域的相干控制与离子输运。通过芯片上波导和光栅耦合器传输激光光，作者在相距 375 µm 的两个区域之间实现了 200 µs 输运时间下的拉比干涉，同时减轻了介电窗口引起的振动加热，从而支持具有低串扰和相关场噪声测量的可扩展 QCCD 架构。

ABSTRACT

Multiplexed operations and extended coherent control over multiple trapping sites are fundamental requirements for a trapped-ion processor in a large scale architecture. Here we demonstrate these building blocks using a surface-electrode trap with integrated photonic components which are scalable to larger numbers of zones. We implement a Ramsey sequence using the integrated light in two zones, separated by 375 $μ$m, performing transport of the ion from one zone to the other in 200 $μ$s between pulses. In order to achieve low motional excitation during transport, we developed techniques to measure and mitigate the effect of the exposed dielectric surfaces used to deliver the integrated light to the ion. We also demonstrate simultaneous control of two ions in separate zones with low optical crosstalk, and use this to perform simultaneous spectroscopy to correlate field noise between the two sites. Our work demonstrates the first transport and coherent multi-zone operations in integrated photonic ion trap systems, forming the basis for further scaling in the trapped-ion QCCD architecture.

研究动机与目标

• 通过将光子组件直接集成到多区域表面电极离子阱中，实现可扩展的囚禁离子量子计算。
• 解决通过芯片上波导向空间分离的阱区输送多种激光波长的挑战。
• 最小化光子波导结构中暴露的介电表面引起的离子输运过程中的振动加热。
• 通过拉比干涉测量，在多个区域之间实现相干控制，结合离子在不同位置间的输运。
• 实现对不同区域中离子的并行、独立控制，以表征串扰并关联各位置之间的场噪声。

提出的方法

• 采用低温、分段式表面电极阱，集成氮化硅（SiN）波导与光栅耦合器，实现红光与红外激光光在两个不同阱区的芯片内传输。
• 在相距 375 µm 的两个区域之间实施拉比序列，利用脉冲之间的离子输运实现分布式相干操作。
• 开发并校准输运协议，以补偿用于光子耦合的介电窗口引起的电场畸变。
• 采用双离子结构，同时进行光谱测量并测量区域间的光学串扰，从而实现器件上场噪声的相关性表征。
• 应用相位循环技术，将光学拉比驱动映射为基态量子比特操作，降低对激光相位噪声的敏感性。
• 通过测量振动边带谱并优化输运轨迹，表征介电表面效应对离子输运的影响，以最小化加热。

实验结果

研究问题

• RQ1 在囚禁离子系统中，通过芯片集成光子学实现光传输，是否可成功在多个空间分离的阱区之间实现相干量子操作？
• RQ2 当介电波导靠近离子路径时，如何在最小化振动激发的前提下实现离子在区域间的输运？
• RQ3 集成光子学在多远距离的阱区之间会引入光学串扰或场噪声相关性？
• RQ4 是否可实现对不同区域中离子的并行、独立控制，以实现低串扰并支持可扩展的量子操作？
• RQ5 输运协议应如何校准，以补偿由于介电结构导致的模型与实际电场分布之间的差异？

主要发现

• 作者成功在两个相距 375 µm 的阱区之间，通过集成光子学光传输完成了拉比干涉实验。
• 离子在 200 µs 内完成输运，且振动激发极低，实现了在空间分离位置之间的相干操作。
• 专门设计的输运校准协议有效降低了由介电窗口引起的振动加热，实现了输运过程中的低残余加热。
• 在独立区域中对两个离子进行同步光谱测量，证实了光学串扰极低，从而实现了两处场噪声的相关性表征。
• 通过相位循环的拉比驱动实现了多区域间的相干控制，有效将量子比特操作与激光相位波动解耦。
• 光子波导与光栅耦合器的集成，实现了对多个激光波长稳定、可扩展地输送到不同阱区。