論文の概要: Scalable Trapped Ion Addressing with Adjoint-optimized Multimode Photonic Circuits

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2505.08997v1
• Date: Tue, 13 May 2025 22:20:45 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-05-15 21:44:09.310071
• Title: Scalable Trapped Ion Addressing with Adjoint-optimized Multimode Photonic Circuits
• Title（参考訳）: 共役最適化多モードフォトニック回路を用いたスケーラブルトリップイオンアドレス処理
• Authors: Melika Momenzadeh, Ke Sun, Qiming Wu, Bingran You, Yu-Lung Tang, Hartmut Häffner, Maxim Radikovich Shcherbakov,
• Abstract要約: 統合フォトニクスは、従来の自由空間光学に代わる有望な代替手段を提供する。 表面電極イオントラップと一体化した多モードフォトニック回路の設計を提案する。 TE$_text10$とTE$_text20$モードの制御された干渉は、イオン分離時に-20dBから-30dBのクロストークをもたらす。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 1.5892079842086992
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Trapped-ion quantum computing requires precise optical control for individual qubit manipulation. However, conventional free-space optics face challenges in alignment stability and scalability as the number of qubits increases. Integrated photonics offers a promising alternative, providing miniaturized optical systems on a chip. Here, we propose a design for a multimode photonic circuit integrated with a surface-electrode ion trap capable of targeted and reconfigurable light delivery. Three closely positioned ions can be addressed using a focusing grating coupler that emits multimode light through electrode openings to ions trapped 80 $\mu$m above the chip. Simulations show that the couplers achieve diffraction-limited spot with a 4.3 $\mu$m beam waist along the trap axis and 2.2 $\mu$m perpendicular to the trap axis. Controlled interference of the TE$_{\text{10}}$ and TE$_{\text{20}}$ modes results in crosstalk of -20 dB to -30 dB at ion separations of 5-8 $\mu$m when addressing ions individually, and down to -60 dB when two of the three ions are addressed simultaneously. Additionally, the higher-order TE modes can offer a novel mechanism for driving spin-motion coupling transitions, potentially enabling alternative approaches to quantum gates and simulations. The proposed integrated platform offers a viable path for constructing large-scale trapped-ion systems, leveraging the benefits of nanophotonic design for precise and reliable ion manipulation.
• Abstract（参考訳）: トラップイオン量子コンピューティングは、個々の量子ビット操作に対して正確な光制御を必要とする。 しかし、従来の自由空間光学は、量子ビットの数が増加するにつれて、アライメント安定性とスケーラビリティの課題に直面している。 集積フォトニクスは、チップ上に小型の光学システムを提供する、有望な代替手段を提供する。 本稿では,光伝送のターゲット化と再構成が可能な表面電極イオントラップと一体化した多モードフォトニック回路の設計を提案する。 3つの密配置されたイオンは、チップの上の80$\mu$mのイオンに電極開口を介して多重モード光を放出する集光格子カプラで対処することができる。 シミュレーションにより、カプラは、トラップ軸に沿って4.3$\mu$mのビーム幅と、トラップ軸に垂直な2.2$\mu$mの回折制限点を達成している。 TE$_{\text{10}}$とTE$_{\text{20}}$モードの制御された干渉は、3つのイオンのうち2つのイオンが同時にアドレス付けされるとき、イオン分離時に -20 dB から -30 dB のクロストークを 5-8 $\mu$m で行う。 さらに、高次のTEモードは、スピンモーション結合遷移を駆動する新しいメカニズムを提供し、量子ゲートやシミュレーションへの代替アプローチを可能にする可能性がある。 提案した統合プラットフォームは、ナノフォトニック設計の利点を活用して、高精度で信頼性の高いイオン操作を行うため、大規模に捕捉されたイオンシステムを構築するための実行可能な経路を提供する。

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