論文の概要: Trapped ion qubit and clock operations with a visible wavelength
photonic coil resonator stabilized integrated Brillouin laser
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2402.16742v1
- Date: Mon, 26 Feb 2024 17:05:19 GMT
- ステータス: 処理完了
- システム内更新日: 2024-02-28 20:02:00.000489
- Title: Trapped ion qubit and clock operations with a visible wavelength
photonic coil resonator stabilized integrated Brillouin laser
- Title（参考訳）: 可視波長フォトニックコイル共振器安定化ブリルアンレーザーによる捕捉イオン量子化とクロック動作
- Authors: Nitesh Chauhan, Christopher Caron, Jiawei Wang, Andrei Isichenko,
Nishat Helaly, Kaikai Liu, Robert J. Niffenegger, Daniel J. Blumenthal
- Abstract要約: トラップイオンは、高忠実な量子コンピューティング、高精度な光時計、高精度な量子センサのための主要なアプローチである。
現在のイオン系システムは、光時計や量子ビット操作のために、バルク状でラボスケールの精度のレーザーと光学安定化キャビティに依存している。
超低雑音レーザーのチップスケール統合と、光クロック遷移時に直接動作する参照キャビティを実証する。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 3.289357998681707
- License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
- Abstract: Integrating precise, stable, ultra-low noise visible light lasers into atomic
systems is critical for advancing quantum information sciences and improving
scalability and portability. Trapped ions are a leading approach for
high-fidelity quantum computing, high-accuracy optical clocks, and precision
quantum sensors. However, current ion-based systems rely on bulky, lab-scale
precision lasers and optical stabilization cavities for optical clock and qubit
operations, constraining the size, weight, scalability, and portability of
atomic systems. Chip-scale integration of ultra-low noise lasers and reference
cavities operating directly at optical clock transitions and capable of qubit
and clock operations will represent a major transformation in atom and trapped
ion-based quantum technologies. However, this goal has remained elusive. Here
we report the first demonstration of chip-scale optical clock and qubit
operations on a trapped ion using a photonic integrated direct-drive visible
wavelength Brillouin laser stabilized to an integrated 3-meter coil-resonator
reference cavity and the optical clock transition of a $^{88}$Sr$^+$ ion
trapped on a surface electrode chip. We also demonstrate for the first time, to
the best of our knowledge, trapped-ion spectroscopy and qubit operations such
as Rabi oscillations and high fidelity (99%) qubit state preparation and
measurement (SPAM) using direct drive integrated photonic technologies without
bulk optic stabilization cavities or second harmonic generation. Our chip-scale
stabilized Brillouin laser exhibits a 6 kHz linewidth with the 0.4 Hz
quadrupole transition of $^{88}$Sr$^+$ and a self-consistent coherence time of
60 $\mu$s via Ramsey interferometry on the trapped ion qubit. Furthermore, we
demonstrate the stability of the locked Brillouin laser to 5$\times10^{-13}/
\sqrt{\tau}$ at 1 second using dual optical clocks.
- Abstract（参考訳）: 精密で安定で超低ノイズの可視光レーザーを原子システムに統合することは、量子情報科学の進歩とスケーラビリティと可搬性の向上に不可欠である。
閉じ込められたイオンは、高忠実度量子コンピューティング、高精度光時計、精密量子センサーのための主要なアプローチである。
しかし、現在のイオン系システムは、原子系のサイズ、重量、拡張性、可搬性を制限し、偏光クロックと量子ビットの動作に偏光精度のレーザーと光学安定化キャビティを頼っている。
超低ノイズレーザーと光学クロック遷移で直接動作し、量子ビットとクロック操作が可能な基準キャビティのチップスケール統合は、原子と閉じ込められたイオンベースの量子技術における大きな転換を表している。
しかし、この目標は未解決のままである。
ここでは,3メートルコイル共振器参照キャビティに安定化したフォトニック集積直接駆動可視波長ブリルアンレーザと,表面電極チップに捕捉された$^{88}$Sr$^+$イオンの光クロック遷移を用いた,トラップイオンに対するチップスケール光時計および量子ビット動作の初披露を行う。
また,我々の知識を最大限に活用し,ラビ振動や高忠実度(99%)量子ビット状態形成測定(spam)などの量子ビット演算を,バルク光学安定化共振器や第2高調波発生を伴わない直接駆動集積フォトニック技術を用いて初めて実証した。
我々のチップスケール安定化ブリルアンレーザーは、0.4Hz四重極遷移の$^{88}$Sr$^+$と、捕獲されたイオン量子ビット上のラムゼー干渉による60$\mu$sの自己一貫性コヒーレンス時間で6kHzの直線幅を示す。
さらに,ロックされたブリルアンレーザーの5$\times10^{-13}/ \sqrt{\tau}=1秒時の安定性を2光時計を用いて実証した。
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