完全繊維

May 24, 2023

Scientific Reports volume 13、記事番号: 523 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

トラップされたイオンは、量子技術の展開のための有望なプラットフォームです。 しかし、従来のイオントラップ実験は、自由空間光学系を使用するため、かさばり、環境に影響されやすい傾向があります。 ここでは、トラップ構造内に直接埋め込まれた統合型光ファイバーを備えた単一イオントラップを紹介します。これにより、レーザー光が送られ、イオンの蛍光が収集されます。 これにより、光学窓が不要になります。 システムのパフォーマンスを特徴付け、シグナル対バックグラウンド比が 50 程度でイオンの蛍光を測定します。これにより、600 \(\upmu\) 秒で 99% 以上の忠実度で内部状態の読み出し測定を実行できます。 22 ～ 53 \(^{\circ }\)C の範囲の熱変化に対するシステムの回復力と、34 Hz と 300 Hz でのシステムの振動回復力をテストしましたが、その性能への影響は見られませんでした。 当社のファイバ結合トラップはコンパクトさと堅牢性を兼ね備えているため、研究室環境内だけでなく屋外でのアプリケーション、特にポータブル光原子時計などの非常にコンパクトなポータブル量子技術に最適です。 私たちのシステムは 40Ca+ イオンをトラップするように設計されていますが、基本的な設計原理は他のイオン種にも適用できます。

トラップされたイオンは、幅広い量子技術の有望な候補です。 それらは本質的に再現可能なシステムであり、長いコヒーレンスとトラッピング寿命を示し、その内部および外部の量子状態を準備、読み出し、操作する技術は十分に開発されています。 このため、量子情報処理 1,2、精密分光法 3、基礎物理学のテスト 4,5 などでの使用に非常に適しています。 新しいイオントラップ構造および関連する真空システムの開発と小型化は目覚ましい進歩を遂げていますが、トラップされたイオンの状態を操作および検出するために必要な光学システムは依然として主に自由空間光学に基づいています。 これにより、コンパクトなイオントラップが大量の光学コンポーネントに囲まれたままになりますが、これらのコンポーネントはドリフトや振動の影響を受けやすいため、定期的な再調整が必要になります。これは、自由空間光学系がビーム指向の不安定性を引き起こし、それによってシステムの性能が低下する可能性があるためです。 研究室ベースの研究システムの場合、これは許容できるかもしれませんが、研究室の外で運用する場合、これは大きな障壁となります。 特に、ビームステアリングおよび検出光学系は振動、温度変動、およびドリフトの影響を受けやすいため、現場で使用可能な計測およびセンサーシステムでの捕捉イオンの使用が妨げられます。

近年、光ファイバーを使用して蛍光検出光学系をイオントラップ構造に統合することが進歩しています8、9、10。 これにより、位置ずれやドリフトが起こりやすい開口数の大きなレンズが不要になり、光子検出器への接続が容易になります。 しかし、これには、空間フィルタリングがないため、トラップ電極または周囲の構造によって散乱された光に対する感度が高くなるという欠点が伴います。 もう 1 つのアプローチは、統合された超伝導単一光子検出器 11 と単一光子アバランシェ フォトダイオード 12 を使用することです。 これらは優れた収集効率を提供しますが、3 次元トラップ構造とは対照的に、平面イオン トラップに最適です。後者は、加熱速度が低く、トラップ効率が高いため、原子時計アプリケーションに好まれます。 さらに、超電導デバイスは極低温で動作する必要があるため、非常にコンパクトで持ち運び可能なシステムでの使用が妨げられます。 3 番目のアプローチは、真空内集積光学系を使用して、真空外の光学素子と連携してイオン蛍光の収集を最大化する 13、14、15 です。 これらのソリューションは平面イオン トラップに適しており、特にマルチ イオン システムにとって興味深いものですが、それでも窓付き真空チャンバーと外部光学コンポーネントの慎重な位置合わせが必要です。