Полностью волокно

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 523 (2023) Цитировать эту статью

1503 Доступа

1 Цитаты

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Захваченные ионы — перспективная платформа для внедрения квантовых технологий. Однако традиционные эксперименты с ионными ловушками имеют тенденцию быть громоздкими и чувствительными к окружающей среде из-за использования оптики в свободном пространстве. Здесь мы представляем одноионную ловушку со встроенными оптическими волокнами, непосредственно встроенными в структуру ловушки, для доставки лазерного света, а также для сбора флуоресценции ионов. Это устраняет необходимость в оптических окнах. Мы характеризуем производительность системы и измеряем флуоресценцию ионов с отношением сигнал/фон порядка 50, что позволяет нам выполнять измерения внутреннего состояния с точностью более 99% за 600 \(\upmu\)s. Мы проверили устойчивость системы к температурным изменениям в диапазоне от 22 до 53 \(^{\circ }\)C, а также устойчивость системы к вибрации при частотах 34 Гц и 300 Гц и не обнаружили никакого влияния на ее производительность. Сочетание компактности и прочности нашей ловушки с оптоволокном делает ее хорошо подходящей для применения как в исследовательских лабораториях, так и за их пределами, и, в частности, для очень компактных портативных квантовых технологий, таких как портативные оптические атомные часы. Хотя наша система предназначена для улавливания ионов 40Ca+, фундаментальные принципы конструкции можно применить и к другим видам ионов.

Захваченные ионы являются многообещающим кандидатом для широкого спектра квантовых технологий. Это по своей сути воспроизводимые системы, демонстрирующие длительную когерентность и время жизни ловушек, а методы подготовки, считывания и манипулирования их внутренними и внешними квантовыми состояниями хорошо разработаны. Это делает их очень подходящими для использования в квантовой обработке информации1,2, прецизионной спектроскопии3 и тестах фундаментальной физики4,5 среди других. Несмотря на значительный прогресс в разработке и миниатюризации новых структур улавливания ионов и связанных с ними вакуумных систем6,7, оптические системы, необходимые для манипулирования и определения состояния захваченных ионов, по-прежнему в основном основаны на оптике свободного пространства. В результате получается компактная ионная ловушка, окруженная большим объемом оптических компонентов, которые часто подвержены дрейфу и вибрациям, требующим регулярной перенастройки, поскольку оптика в свободном пространстве может привести к нестабильности наведения луча и, следовательно, к ухудшению производительности системы. Хотя для лабораторных исследовательских систем это может быть приемлемо, для работы за пределами исследовательских лабораторий это представляет собой значительный барьер. В частности, чувствительность оптики управления и обнаружения луча к вибрациям, температурным колебаниям и дрейфу препятствует использованию захваченных ионов в полевых метрологических и сенсорных системах.

В последние годы достигнут прогресс в интеграции оптики обнаружения флуоресценции в структуру ионной ловушки с использованием оптических волокон8,9,10. Это устраняет необходимость в линзах с большой числовой апертурой, которые склонны к перекосу и дрейфу, и позволяет легко подключиться к детектору фотонов. Однако это имеет тот недостаток, что отсутствие пространственной фильтрации приводит к более высокой чувствительности к свету, рассеянному электродами-ловушками или окружающими структурами. Другой подход заключается в использовании интегрированных сверхпроводящих детекторов одиночных фотонов11 и однофотонных лавинных фотодиодов12. Хотя они обеспечивают высокую эффективность сбора, они лучше всего подходят для плоских ионных ловушек, а не для трехмерных структур улавливания, причем последние предпочтительнее для приложений с атомными часами из-за их более низких скоростей нагрева и более высокой эффективности улавливания. Кроме того, требование работы сверхпроводящих устройств при криогенных температурах запрещает их использование в очень компактных и портативных системах. Третий подход заключается в использовании встроенной в вакууме оптики для максимального сбора ионной флуоресценции13,14,15 в сочетании с оптическими элементами вне вакуума. Эти решения хорошо подходят для плоских ионных ловушек и особенно интересны для многоионных систем, но они по-прежнему требуют вакуумной камеры с окнами и тщательной юстировки внешних оптических компонентов.