RU2807585C1 - Оптический интерфейс для ионного квантового регистра - Google Patents
Оптический интерфейс для ионного квантового регистра Download PDFInfo
- Publication number
- RU2807585C1 RU2807585C1 RU2022130748A RU2022130748A RU2807585C1 RU 2807585 C1 RU2807585 C1 RU 2807585C1 RU 2022130748 A RU2022130748 A RU 2022130748A RU 2022130748 A RU2022130748 A RU 2022130748A RU 2807585 C1 RU2807585 C1 RU 2807585C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- ions
- ion
- quantum register
- lens
- fiber optic
- Prior art date
Links
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title claims abstract description 17
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 claims abstract description 57
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 6
- 239000000835 fiber Substances 0.000 abstract description 41
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 9
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 6
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 4
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 4
- 238000005040 ion trap Methods 0.000 description 4
- 239000002096 quantum dot Substances 0.000 description 3
- 230000004075 alteration Effects 0.000 description 2
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 2
- 229910052769 Ytterbium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 1
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 1
- 238000005253 cladding Methods 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 238000004812 paul trap Methods 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 230000001502 supplementing effect Effects 0.000 description 1
- -1 ytterbium ion Chemical class 0.000 description 1
Abstract
Оптический интерфейс для ионного квантового регистра относится к квантовой технике и может быть использован для оптической индивидуальной адресации кубитов в ионном квантовом регистре. Оптический интерфейс для ионного квантового регистра состоит из набора одномодовых оптоволоконных кабелей, размещенных на подложке, и объектива, осуществляющего фокусировку пучков лазерного излучения с торцов оптоволоконных кабелей на ионы, при этом между набором одномодовых оптоволоконных кабелей, число которых равно числу ионов в квантовом регистре, и объективом введен набор микролинз. Техническим результатом является уменьшение требуемой для обеспечения высокой эффективности апертуры доступа к ионам. 1 ил.
Description
Оптический интерфейс для ионного квантового регистра относится к квантовой технике и может быть использован для оптической индивидуальной адресации кубитов в ионном квантовом регистре.
Известно устройство адресации, описанное в [Pernthaler, L.F. (2019). Single Ion Addressing of up to 50 Ions (Doctoral dissertation, University of Innsbruck)], включающее акустооптический дефлектор и объектив, обеспечивающий адресацию одиночных ионов в квантовом регистре.
Недостатком устройства является высокий уровень взаимопроникновения каналов адресации за счет искажения пучка при прохождении через акустооптический дефлектор, а также необходимость установки всей лазерной системы на единую платформу с вакуумной камерой для обеспечения механической стабильности.
Наиболее близким по технической сущности к предложенному является устройство, описанное в [Pogorelov, I., Feldker, Т., Marciniak, С.D., Postler, L., Jacob, G., Krieglsteiner, O., … & Monz, T. (2021). Compact ion-trap quantum computing demonstrator. PRX Quantum, 2(2), 020343], включающее набор оптоволоконных кабелей и объектив, проецирующих торцы волокон на ионы в квантовом регистре. Данное устройство обеспечивает возможности масштабирования за счет использования оптоволоконных кабелей для подвода адресующего оптического излучения и гибкость конструкции, а также снижает паразитное влияние адресующих каналов друг на друга в сравнении с решениями, не использующими оптоволоконные кабели.
Недостатком наиболее близкого технического решения являются высокие требования к апертуре оптического доступа к ионам, которое, как правило, не может быть удовлетворено за счет ограниченного диаметра используемых вакуумных фланцев в вакуумных камерах на ионных квантовых регистрах.
Действительно, ввиду размеров оптоволоконного кабеля порядка сотни микрон, оптическая система должна обладать крайне высоким увеличением для отображения торцов оптоволоконного кабеля на ионы в квантовом регистре, расстояния между которыми составляют порядка нескольких микрон. Рабочее расстояние объектива со стороны ионов ограничено физическими размерами ионной ловушки и не может составлять менее порядка двадцати миллиметров, и таким образом возникает необходимость использования длиннофокусной линзы со стороны оптоволоконных кабелей для обеспечения требуемого увеличения. За счет расходимости излучения, выходящего из оптоволоконного кабеля, требуемая апертура оказывается более 100 мм, что является труднореализуемым ввиду ограничений используемых вакуумных камер для ионных квантовых регистров.
Целью предлагаемого изобретения является обеспечение высокой эффективности доставки излучения с использованием набора оптоволоконных кабелей для оптической адресации ионов в квантовом регистре.
Техническим результатом является уменьшение требуемой для обеспечения высокой эффективности апертуры доступа к ионам.
Технический результат достигается тем, что между набором оптоволоконных кабелей и объективом введен набор микролинз.
Сущность изобретения поясняется чертежом:
На фиг. 1 - оптический интерфейс для ионного квантового регистра.
На чертежах обозначены:
1 - набор оптоволоконных кабелей;
2 - подложка;
3 - объектив;
4 - набор микролинз.
Устройство содержит набор одномодовых оптоволоконных кабелей 1 с общим числом кабелей, равным числу ионов в квантовом регистре, закрепленных на подложке 2 механически или с помощью адгезива, таким образом, чтобы торцы кабелей находились в одной плоскости, а расстояние между кабелями в наборе было пропорциональным расстоянию между ионами в квантовом регистре. Подложка 2 устанавливается таким образом, чтобы линия соединяющая торцы волокон из набора 1 была параллельная ионам в квантовом регистре. Перед торцами волокон из набора 1 установлен набор микролинз 4, формирующий мнимое изображение торцов волокон. Мнимое изображения торцов волокон проецируется на ионы в квантовом регистре с помощью объектива 3 с разрешающей способностью превышающей межионное расстояние, составляющее от 2 до 20 мкм. Положение и увеличение объектива 3 выбираются таким образом, чтобы каждый торец волокна из набора 1 проецировался на ион и квантового регистра, при этом соседние торцы проецируются на соседние ионы. Адресующее оптическое излучение заводится в противоположные торцы оптических кабелей.
Предложенный интерфейс работает следующим образом.
Проведение однокубитных и двухкубитных квантовых операций на ионном квантовом регистре может быть реализовано за счет оптической адресации ионов, захваченных в ионную ловушку, посредством фокусировки лазерного излучения на управляемых ионах с заданными характеристиками частоты излучения, фазовых соотношений и длительностей импульсов лазерного излучения. Распространенными решениями для осуществления индивидуальной адресации является использование многоканальных акустооптических модуляторов и акустооптических дефлекторов, которые позволяют формировать лазерные импульсы, управляемые радиочастотным сигналом, ввиду возможности адресовать большое количество ионов, до 32 для многоканальных модуляторов и до 50 для дефлекторов, а также высокой скорости работы этих устройств. На выходе данных устройств устанавливается объектив, осуществляющий фокусировку параллельных пучков в точку или несколько точек, где располагаются ионы. При этом размеры формируемого пятна в области отдельного иона должны быть меньшими, чем расстояние между соседними ионами, которое может составлять от одного до порядка десяти микрон. Контроль параметров лазерных импульсов, таких как частота излучения и длительность импульсов осуществляется за счет изменения управляющего сигнала модулятора или дефлектора, лежащего в радиочастотном диапазоне.
Побочным эффектом использования акустооптических устройств является искажения профиля лазерного пучка и появление в профиле пучка побочных максимумов. При проецировании искаженного пучка на отдельные ионы, возможно появление паразитной засветки соседних ионов, что приводит к изменению квантового состояния и, как следствие, ухудшению надежности квантового регистра. Решение этой проблемы возможно с введением дополнительного пространственного фильтра после дефлектора или модулятора, исключающего паразитное влияние. В качестве такого фильтра, в частности, может быть использован оптоволоконный кабель или массив оптоволоконных кабелей, так как одномодовые оптоволоконные кабели пропускают только нулевую Гауссову пространственную моду излучения на рабочей длине волны.
Предлагаемое устройство включает в себя набор оптоволоконных кабелей, число которых совпадает с числом адресуемых ионов в регистре. Концы оптоволоконных кабелей располагаются на подложке и могут быть зафиксированы либо механически, либо приклеены, таким образом, чтобы торцы располагались в одной плоскости, а расстояние между кабелями было пропорционально расстоянию между соответствующими им ионами в регистре. С помощью объектива свет, пропускаемый через оптоволоконные кабели, фокусируется на ионах в регистре. Противоположные торцы волокон могут быть адресованы посредством одного или нескольких многоканальных акустооптических модуляторов, дефлекторов, гальванических зеркал или подключены к набору одноканальных волоконных акустооптических модуляторов.
Помимо обеспечения низкого уровня паразитной засветки на соседних ионах такая конструкция позволяет реализовать модульную структуру всей установки для квантовых вычислений на ионном регистре. Ввиду очень высоких требований к позиционированию пучка перетяжки на ионе в квантовом регистре, порядка 1 мкм, необходимо обеспечение механической стабильности всей лазерной системы, обеспечивающей адресацию ионов, совместно с вакуумной камерой, в которой расположен квантовый регистр. Характерная площадь, занимаемая такой установкой, составляет от 1 м * 2 м, что затрудняет обеспечение высокой механической стабильности. Дополнение такой системы предлагаемым интерфейсом позволяет механически развязать лазерную систему и вакуумную камеру, содержащую квантовый регистр и конвертировать механическую нестабильность, возникающую в лазерной системе и приводящую к флуктуациям положения пучка на стороне лазерной системы, из нестабильности положения в нестабильность мощности на стороне вакуумной камеры, которая может легко быть скомпенсирована с использованием обратной связи.
Проведем теоретическое обоснование работы конструкции для прототипа [Pogorelov, I., Feldker, Т., Marciniak, С.D., Postler, L., Jacob, G., Krieglsteiner, O., … & Monz, Т. (2021). Compact ion-trap quantum computing demonstrator. PRX Quantum, 2(2), 020343] и предлагаемого устройства. Для этого рассмотрим систему из квантового регистра, минимальное расстояние между ионами в котором составляет h=2 мкм (для ионов в ловушке Пауля - это расстоянием между ионами, наиболее близкими к геометрическому центру ловушки). Торцы волокон могут быть расположены на минимальном расстоянии, определяется параметрами волокна, а именно диаметром части «cladding», которая для распространенных одномодовых волокон может быть 125 мкм, 250 мкм и более. Примем это расстояние равным d=125 мкм. При выходе из волокна свет распространяется в соответствии с Гауссовой модой, и расходимость пучка определяется размером моды на торце волокна MFD, которая составляет от 3 до 5 мкм в ультрафиолетовой и видимой областях спектра для одномодовых волокон. Не ограничивая общности объектив для проецирования можно рассматривать как двухлинзовый, причем в фокальной плоскости первой линзы с фокусным расстоянием ƒ1 находятся торцы волокон, а в фокальной плоскости второй линзы с фокусным расстоянием ƒ2 находятся адресуемые ионы. Для реализации адресации объектив должен отобразить торцы на ионы, и, таким образом, увеличение оптической системы должно составить . Характерный диаметр пучка D1, получаемый после первой линзы, определяется дифракционной расходимостью пучка и фокусным расстоянием ƒ1. Технически ограничивающими факторами в данной модели является невозможность располагать объектив ближе, чем 20-30 мм от ионов в квантовом регистре, ввиду того, что область вокруг ионов частично занята ловушкой. Оптимально располагать объектив как можно ближе, так как в этом случае требуется наименьший диаметр пучка для достижения требуемого размера перетяжки менее межионного расстояния. Примем f 2 =30 мм, таким образом, ƒ1=1875 мм, D1 ≈ 250 мм при длине волны 435 нм, характерной для работы с оптическим кубитом на ионе иттербия. Пучок далее должен быть сфокусирован на одном из ионов, причем размер пятна перетяжки пучка должен составить не более d - расстояния между соседними ионами - для обеспечения низкой паразитной засветки. При этом мы не учитываем геометрические аберрации пучка, которые в эквивалентном объективе могут быть скомпенсированы до уровня порядка 1-2 мкм. Дифракционный предел фокусировки определяется диаметром пучка D, падающего на вторую линзу и составляет , но не менее . Таким образом, для текущей системы размеры пятна перетяжки определяются преимущественно геометрическими аберрациями и удовлетворяют требованию к размеру меньшему, чем межионное расстояние.
Существенным недостатком такого интерфейса является очень большой диаметр пучка Dl, который необходимо коллимировать выходной линзой. Апертура доступа к ионам может быть ограничена фланцами вакуумной камеры, что приведет к появлению дифракционных колец, обеспечивающих паразитную засветку, и снижению мощности фокусируемого излучения. Характерные диаметры оптических окошек, применяемых в вакуумных камерах, используемых для ионных квантовых регистров, составляют от 10 мм до 80 мм. Увеличение межионного расстояния приводит к увеличению G и снижению требуемой апертуры D1, однако при этом снижается скорость выполнения квантовых операций за счет уменьшения взаимодействия между ионами, что является нежелательным. Для уменьшения требуемой апертуры доступа в устройстве используется массив микролинз, устанавливаемый напротив набора оптоволоконных кабелей. Линзы в массиве установлены таким образом, чтобы торцы волокон находились на оптических осях соответствующих им линз. Рассмотрим массив микролизн с фокусных расстоянием ƒ3=1 мм, расположенных на расстоянии а=0.8 мм от торцов волокон. Размер линз в массиве соответствует шагу микролинз, который составляет не менее 125 мкм и определяется расстояниями между торцами волокон. Размер пятна, формируемого одиночным оптоволоконным кабелем на соответствующей линзе оказывается D2=100 мкм, что ниже доступной апертуры микролинзы, следовательно, не происходит обрезания пучка. С помощью микролинз формируется мнимое изображение торцов волокон, при этом снижается расходимость пучков. Первая линза теперь располагается таким образом, чтобы в фокусе находилось мнимое изображение. Диаметр пучка за счет уменьшения угла расходимости в такой системе снижается с D1=250 мм до D3=48 мм, что удовлетворяет требованиям к доступной апертуре.
Claims (1)
- Оптический интерфейс для ионного квантового регистра, состоящий из набора одномодовых оптоволоконных кабелей, размещенных на подложке, и объектива, осуществляющего фокусировку пучков лазерного излучения с торцов оптоволоконных кабелей на ионы, при этом между набором одномодовых оптоволоконных кабелей, число которых равно числу ионов в квантовом регистре, и объективом введен набор микролинз.
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2807585C1 true RU2807585C1 (ru) | 2023-11-16 |
Family
ID=
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20100265498A1 (en) * | 2004-06-30 | 2010-10-21 | Chemimage Corporation | Method and apparatus for microlens array/fiber optic imaging |
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20100265498A1 (en) * | 2004-06-30 | 2010-10-21 | Chemimage Corporation | Method and apparatus for microlens array/fiber optic imaging |
Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
Презентация "Квантовые вычисления на ионах", И.А. Семериков, 2021 год. "Fiber-Coupled Diamond Micro-Waveguides toward an Efficient Quantum Interface for Spin Defect Centers", Masazumi Fujiwara, 2017. * |
Статья "Compact Ion-Trap Quantum Computing Demonstrator" Pogorelov, I., Feldker, Т., Marciniak, С.D., Postler, L., Jacob, G., Krieglsteiner, O., Monz, T., 2021 (стр. 020343-8 - 020343-9). * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US5228103A (en) | Monolithically integrated wavelength division multiplexing laser array | |
Weyrauch et al. | Fiber coupling with adaptive optics for free-space optical communication | |
JP5646278B2 (ja) | 顕微鏡アダプタユニット | |
JP7511013B2 (ja) | 光学結像系及びそれを適用した生化物質検出系 | |
CN202815320U (zh) | 一种波导阵列多光束整形装置 | |
CN1310352A (zh) | 在宽视场中动态控制光方向的设备 | |
CN109358030B (zh) | 一种具有自动对准功能的多色超分辨显微镜*** | |
US9331782B2 (en) | Optical transmission system | |
JP3442845B2 (ja) | 焦点位置可変光学系及び光ビーム走査装置 | |
US20230418018A1 (en) | Imaging-Based Transmitter for Free-Space Optical Communications | |
EP4204868A1 (en) | Method for assembling a hollow core optical fiber array launcher | |
CN114597762A (zh) | 一种蓝光半导体激光器合束装置及高亮度蓝光输出方法 | |
CN117852663A (zh) | 离子寻址装置及离子阱量子计算机 | |
CN113325563B (zh) | 一种具有大视场的多色三维超分辨膨胀显微镜*** | |
RU2807585C1 (ru) | Оптический интерфейс для ионного квантового регистра | |
JPH0973041A (ja) | 自由空間光配線用のマイクロ光学系およびそのセッティング方法 | |
KR20110008019A (ko) | 단일 포톤 방출 시스템 | |
CN104238232B (zh) | 一种光折变空间光孤子的产生方法、装置及其应用 | |
US7376296B2 (en) | Optical multiplexer | |
CA2101309C (en) | Objective lens for a free-space photonic switching system | |
US20040218854A1 (en) | Apparatus and method for a filterless parallel WDM multiplexer | |
WO2022131463A1 (ko) | 파이버 레이저 다이오드 모듈 | |
CN208791639U (zh) | 一种光学引擎***及基因测序仪 | |
Adachi et al. | A passive optical alignment technique for single-mode fibers and light-source arrays | |
Reddy et al. | High-speed two-photon imaging |