导读

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

在长链捕获离子中驱动激光的操作对单独寻址的设置提出了多个要求。一、为了尽量降低空闲量子位上的发生错误的可能，需要使相邻离子位点之间的交叉耦合最低；二、相邻通道之间的间距必须与离子间距相匹配，这需要产生一系列紧密间隔的光束；三、并行控制每个信道的强度、相位和频率可以使不同目标的量子位同时应用不同的操作，从而减少算法的运行时间。本研究开发的光子芯片可以保证波导芯层和包层之间存在非常高的折射率差，因此相邻通道在仅微米尺度的分离下也能保持非常低的串扰水平。激光器被耦合到一系列光纤分离器中，每个通道都连接到一个声光调制器，该光纤声光调制器允许单独的相位、频率和幅度控制，从而实现快速并行控制。如图1(a)所示，激光束之间的间距必须与离子间距相匹配，通常为4−10 µm。如图1(b)所示，光纤声光调制器连接到光纤V型槽阵列，间距为127 μm。光子芯片的设计目的是将光纤V型槽阵列通道的输入光模式和间距转换为适合于捕获离子寻址的紧密间隔(8 µm)模式。

图1. 光子芯片设计示意图。

2. 球形相位诱导多核波导技术（SPIM-WGs）

捕获离子的单独光学寻址需要产生具有最大腰间距比和最小串扰的紧密间隔光束，这需要光子芯片的通道对光束具有极高的约束能力，关键是通过增加芯层和包层之间的折射率差来增强对光模式的限制能力。本研究采用球形相位诱导多核波导技术加工光芯片，该技术能够将具有连续可变三维截面的光波导有效地制作在芯片上，因此提供了任何形状的光学模式转换能力。如图2所示，相比传统的激光直写技术，这一技术实现了通道横截面形状和尺寸的更精确控制，在实现更大波导尺寸的同时保持了单模工作。

图2. 光子芯片输出的光学模式。

本研究使用单模光纤将532nm激光耦合到芯片输入面的一个中心通道中，然后通过对比芯片输出端的完整8通道的强度分布来评估通道的串扰。如图3所示，与传统的激光直写波导相比，球形相位诱导多核波导能够更好地将激光限制在通道附近。多次测量显示，传统激光直写波导的近邻串扰约为3×10^-2, 球形相位诱导多核波导的近邻串扰约为5×10^-4。

图3. 球形相位诱导多核波导通道的光约束特性。

3. 超高模式匹配和绝热模式转换方法

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。

图4. 高级模式匹配和绝热模式转换提高芯片耦合效率。

4. 光子芯片集成离子阱量子比特控制系统

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。

图5. 捕获离子系统设计示意图。

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。

图6. 单个捕获离子进行串扰测量。

总结展望

本研究提出了一种基于新型集成光子芯片的系统来实现捕获离子阱量子比特的单独光学寻址。光子芯片的制造过程使得光波导通道的芯层和包层之间的折射率对比度非常高，因此能够在相邻通道之间保持非常低的串扰，与现有的集成了捕获离子装置的单独光寻址方法相比，该方法实现了更低的串扰，同时保持了高可扩展性和灵活性。此外，球形相位诱导多核波导技术 (SPIM-WGs) 可用于制造具有大量通道或非均匀通道间距的器件，具有广泛的应用前景。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-024-01542-x