在原子内部，电子的能量状态遵循量子力学的精密法则，其分布不呈现连续性，而是被严格限定在一系列的能量层级上，这一特征被称为“量子化”。量子化状态是构建量子比特的基础，也是开发超级量子计算机的核心要素。为实现此目标，必须将原子冷却并稳定地捕获在特定位置。为了有效捕获这些原子，一种策略是将其电离，即赋予原子额外的电荷。然而，电磁学的基本原理表明一个恒定的电场并不能稳定地束缚住单一的带电粒子。反之，引入振荡电磁场则可以创建一个稳定的离子阱。目前，在所有量子计算平台中，小规模的捕获离子系统已经展示了最高的单量子比特和双量子比特门保真度、最长的相干时间和最低的测量误差。
为了在离子阱系统中实现单独的光学寻址，研究者们已经开发了多种方法，包括微透镜光束导向、声光偏转器、多通道声光调制器和微透镜阵列。微透镜提供了极低的串扰，但重新配置波束位置或调整波束振幅所需的时间过长。声光偏转器也可以提供低串扰，并实现单个光束的快速强度控制，但它缺乏单独的波束频率控制，使快速并行控制失去可能。多通道声光调制器解决了快速并行控制问题，但引入了更大的串扰。
近日，牛津大学的Martin Booth&Bangshan Sun团队开发了一种基于高性能波 (SPIM-WG) 的光子芯片，牛津大学的的Christopher Ballance团队利用此芯片实现超低串扰在捕获离子阱量子比特进行单独光寻址的方法。本研究采用了球形相位诱导多核波导。该制造工艺具有很高的灵活性，可以任意修改通道数量，通道位置和模式形状来适应大多数离子阱量子实验。该光子芯片采用单独的绝热模式转换器作为光波导通道，表现出优异的模式约束能力和低串扰性。
该成果发表在国际顶尖学术期刊《Light: Science & Applications》，题为“Low Cross-Talk Optical Addressing of Trapped-Ion Qubits Using a Novel Integrated Photonic Chip”。牛津大学的Ana Sotirova和Bangshan. Sun为论文共同第一作者，Ana Sotirova，B. Sun，M. J. Booth和C. J. Ballance为论文共同通讯作者。
创新研究
1. 新型集成光子芯片设计
图1. 光子芯片设计示意图。
为了确保寻址设置所需的激光输入功率与量子位的数量相匹配，需要确保芯片系统的吞吐量均能够保持高效率。因此，光子芯片必须实现高效耦合，这只能通过元件之间的有效模式匹配和模式之间的绝热转换来实现。如图4(b)所示，本研究开发了一种新的高级模式匹配设计，在扫描加工球形相位诱导多核波导的过程中引入了两侧额外的扫描，从而增加了波导模式的横向尺寸，有效地抑制了高阶模式，减轻了光纤V型槽阵列通道位置变化的影响。此外，为了解决通道输入模式和所需输出模式之间的横截面差异，本研究通过改变芯片上的波导特性来实现绝热模式转换。从输入面开始，波导轮廓逐渐改变，从图4(b)所示的设计过渡到图2(b)所示的设计，最终极大提高了耦合效率并显著改善了通道间的模式均匀性。
本研究采用捕获的137Ba+离子作为量子比特，用于单独寻址的球形相位诱导多核波导针对532 nm进行了优化，该波长能够驱动137Ba+离子的拉曼跃迁。使用2:1透镜继电器将光子芯片的输出映射到离子链上，使得离子位置相邻光束之间的距离减小到4 µm，与目标离子间距相匹配。用于在离子上重新成像球形相位诱导多核波导输出的光学系统的轮廓如图5所示。
为了描述离子阱实验中完整的单独寻址的性能，本研究通过使用单个离子作为点状传感器来测量光束的空间轮廓。当一束532 nm的光束照射到离子上时，它在S1/2和D5/2能级之间的四极跃迁频率上引入了交流斯塔克位移，这种位移与离子上532 nm光的强度成正比。为了表征球形相位诱导多核波导输出的空间强度分布，本研究将离子从阱中心传输到轴向位移位置x，并测量了四极频移作为x的函数。测量得到的光束轮廓、光束间距和系统的串扰如图6所示。平均束腰半径为0.67±0.06 µm，平均通道间距为3.95±0.03 µm，对于所有通道，串扰均低于10-3，最低串扰约为10-5。
Sotirova, A.S., Sun, B., Leppard, J.D. et al. Low cross-talk optical addressing of trapped-ion qubits using a novel integrated photonic chip. Light Sci Appl 13, 199 (2024).
https://doi.org/10.1038/s41377-024-01542-x
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