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离子量子比特的多波长集成控制。

Integrated multi-wavelength control of an ion qubit.

机构信息

Lincoln Laboratory, Massachusetts Institute of Technology, Lexington, MA, USA.

Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA, USA.

出版信息

Nature. 2020 Oct;586(7830):538-542. doi: 10.1038/s41586-020-2811-x. Epub 2020 Oct 21.

DOI:10.1038/s41586-020-2811-x
PMID:33087912
Abstract

Monolithic integration of control technologies for atomic systems is 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. However, current implementations rely on free-space optics for ion control, which limits their portability and scalability. Here we demonstrate a surface-electrode ion-trap chip using integrated waveguides and grating couplers, which delivers all the wavelengths of light required for ionization, cooling, coherent operations and quantum state preparation and detection of Sr qubits. Laser light from violet to infrared is coupled onto the chip via an optical-fibre array, creating an inherently stable optical path, which we use to demonstrate qubit coherence that is resilient to platform vibrations. This demonstration of CMOS-compatible integrated photonic surface-trap fabrication, robust packaging and enhanced qubit coherence is a key advance in the development of portable trapped-ion quantum sensors and clocks, providing a way towards the complete, individual control of larger numbers of ions in quantum information processing systems.

摘要

原子系统控制技术的整体集成是开发量子计算机和便携式量子传感器的一个很有前途的途径。囚禁原子离子是高保真量子信息处理器和高精度光学时钟的基础。然而,目前的实现依赖于用于离子控制的自由空间光学,这限制了它们的便携性和可扩展性。在这里,我们展示了一种使用集成波导和光栅耦合器的表面电极离子阱芯片,它提供了用于电离、冷却、相干操作以及 Sr 量子位的量子态制备和检测所需的所有波长的光。从紫光到红外的激光通过光纤阵列耦合到芯片上,形成了固有稳定的光路,我们利用它来演示对平台振动具有弹性的量子位相干性。这种与 CMOS 兼容的集成光子表面陷阱制造、鲁棒封装和增强的量子位相干性的演示是开发便携式囚禁离子量子传感器和时钟的一个关键进展,为在量子信息处理系统中完全、独立地控制更多数量的离子提供了一种途径。

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Integrated multi-wavelength control of an ion qubit.离子量子比特的多波长集成控制。
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