완전 섬유

May 24, 2023

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 523(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

트랩된 이온은 양자 기술 배포를 위한 유망한 플랫폼입니다. 그러나 기존 이온 트랩 실험은 자유 공간 광학 장치를 사용하기 때문에 부피가 크고 환경에 민감한 경향이 있습니다. 여기에서는 레이저 광을 전달하고 이온의 형광을 수집하기 위해 트랩 구조 내에 직접 통합된 광섬유가 내장된 단일 이온 트랩을 제시합니다. 이렇게 하면 광학 창이 필요하지 않습니다. 우리는 시스템 성능을 특성화하고 50 정도의 신호 대 배경 비율로 이온의 형광을 측정합니다. 이를 통해 600\(\upmu\)s에서 99% 이상의 충실도로 내부 상태 판독 측정을 수행할 수 있습니다. 우리는 22~53\(^{\circ }\)C 범위의 열 변화에 대한 시스템의 복원력과 34Hz 및 300Hz에서 시스템의 진동 복원력을 테스트한 결과 성능에 아무런 영향도 미치지 않는 것으로 나타났습니다. 섬유 결합 트랩의 컴팩트함과 견고함의 조합으로 인해 연구실 환경 안팎의 응용 분야, 특히 휴대용 광학 원자 시계와 같은 초소형 휴대용 양자 기술에 매우 적합합니다. 우리 시스템은 40Ca+ 이온을 포착하도록 설계되었지만 기본 설계 원리는 다른 이온 종에도 적용될 수 있습니다.

포획된 이온은 광범위한 양자 기술에 대한 유망한 후보입니다. 이들은 본질적으로 재현 가능한 시스템으로 긴 일관성과 트래핑 수명을 나타내며 내부 및 외부 양자 상태를 준비, 판독 및 조작하는 기술이 잘 개발되어 있습니다. 따라서 양자 정보 처리1,2, 정밀 분광학3 및 기초 물리학 테스트4,5에 사용하기에 매우 적합합니다. 새로운 이온 포획 구조 및 관련 진공 시스템6,7의 개발 및 소형화에 놀라운 진전이 있었지만, 포획된 이온의 상태를 조작하고 감지하는 데 필요한 광학 시스템은 여전히 ​​주로 자유 공간 광학을 기반으로 합니다. 이로 인해 많은 양의 광학 구성 요소로 둘러싸인 소형 이온 트랩이 남게 되는데, 이는 종종 드리프트와 진동에 취약하여 정기적인 재정렬이 필요합니다. 자유 공간 광학은 빔 포인팅 불안정성을 초래하여 시스템 성능 저하를 초래할 수 있기 때문입니다. 실험실 기반 연구 시스템의 경우 이는 허용될 수 있지만, 연구 실험실 외부 운영의 경우 이는 상당한 장벽이 됩니다. 특히 진동, 온도 변동 및 드리프트에 대한 빔 조정 및 감지 광학 장치의 민감성으로 인해 현장 측정 및 센서 시스템에서 포획된 이온을 사용하는 것이 방해됩니다.

최근 몇 년 동안 광섬유를 사용하여 형광 검출 광학 장치를 이온 트랩 구조에 통합하는 과정이 진행되었습니다. 이를 통해 정렬 불량 및 드리프트가 발생하기 쉬운 큰 개구수 렌즈가 필요하지 않으며 광자 검출기에 쉽게 연결할 수 있습니다. 그러나 이는 공간 필터링이 부족하여 트랩 전극이나 주변 구조에 의해 산란된 빛에 대한 감도가 높아진다는 단점이 있습니다. 또 다른 접근법은 통합된 초전도 단일 광자 검출기11 및 단일 광자 사태 광다이오드12를 사용하는 것입니다. 이는 뛰어난 수집 효율성을 제공하지만 3차원 트랩 구조와 달리 평면 이온 트랩에 가장 적합합니다. 후자는 가열 속도가 낮고 트랩 효율성이 높기 때문에 원자 시계 응용 분야에 선호됩니다. 더욱이, 초전도 장치는 극저온에서 작동해야 한다는 요구 사항으로 인해 초전도 장치를 매우 작고 휴대 가능한 시스템에 사용하는 것이 금지됩니다. 세 번째 접근 방식은 진공 통합 광학 장치를 사용하여 진공 외부 광학 요소와 함께 작동하여 이온 형광 수집을 최대화하는 것입니다. 이러한 솔루션은 평면 이온 트랩에 매우 적합하며 다중 이온 시스템에 특히 흥미롭지만 여전히 창이 있는 진공 챔버와 외부 광학 구성 요소의 세심한 정렬이 필요합니다.