New algorithm uses a hologram to control trapped ions

Tuesday, May 4, 2021
by Alex Rollinson

Optics in laboratory
En français

Researchers have discovered the most precise way to control individual ions using holographic optical engineering technology.

The new technology uses the first known holographic optical engineering device to control trapped ion qubits. This technology promises to help create more precise controls of qubits that will aid the development of quantum industry-specific hardware to further new quantum simulation experiments and potentially quantum error correction processes for trapped ion qubits.

“Our algorithm calculates the hologram’s profile and removes any aberrations from the light, which lets us develop a highly precise technique for programming ions,” says lead author Chung-You Shih, a PhD student at the University of Waterloo’s Institute for Quantum Computing (IQC).

Kazi Rajibul Islam, a faculty member at IQC and in physics and astronomy at Waterloo is the lead investigator on this work. His team has been trapping ions used in quantum simulation in the Laboratory for Quantum Information since 2019 but needed a precise way to control them.

A laser aimed at an ion can “talk” to it and change the quantum state of the ion, forming the building blocks of quantum information processing. However, laser beams have aberrations and distortions that can result in a messy, wide focus spot, which is a problem because the distance between trapped ions is a few micrometers — much narrower than a human hair.

The laser beam profiles the team wanted to stimulate the ions would need to be precisely engineered. To achieve this they took a laser, blew its light up to 1cm wide and then sent it through a digital micromirror device (DMD), which is programable and functions as a movie projector. The DMD chip has two-million micron-scale mirrors on it that are individually controlled using electric voltage. Using an algorithm that Shih developed, the DMD chip is programmed to display a hologram pattern. The light produced from the DMD hologram can have its intensity and phase exactly controlled.

In testing, the team has been able to manipulate each ion with the holographic light. Previous research has struggled with cross talk, which means that if a laser focuses on one ion, the light leaks on the surrounding ions. With this device, the team successfully characterizes the aberrations using an ion as a sensor. They can then cancel the aberrations by adjusting the hologram and obtain the lowest cross talk in the world.

“There is a challenge in using commercially available DMD technology,” Shih says. “Its controller is made for projectors and UV lithography, not quantum experiments. Our next step is to develop our own hardware for quantum computation experiments.”

The study, Reprogrammable and high-precision holographic optical addressing of trapped ions for scalable quantum control, details the researchers’ work published in the journal npj Quantum Information.

This research was supported in part by the Canada First Research Excellence Fund through Transformative Quantum Technologies.


Un nouvel algorithme utilise un hologramme pour contrôler des ions piégés

Des chercheurs ont découvert la manière la plus précise de contrôler des ions individuels à l’aide d’une technologie de génie optique holographique.

Cette nouvelle technologie fait appel au premier dispositif de génie optique holographique connu afin de contrôler des qubits à ions piégés. Cette technologie devrait aider à mettre au point des contrôles plus précis de qubits, en vue du développement de matériel propre à l’industrie quantique. Ce matériel permettra de réaliser de nouvelles expériences de simulation quantique et potentiellement de mettre en œuvre des processus de correction d’erreurs quantiques pour des qubits à ions piégés.

« Notre algorithme calcule le profil de l’hologramme et supprime toutes les aberrations de la lumière, ce qui nous permet de mettre au point une technique très précise pour la programmation d’ions » [traduction], affirme le premier auteur Chung-You Shih, doctorant à l’Institut d’informatique quantique (IQC) de l’Université de Waterloo.

Kazi Rajibul Islam, professeur à l’IQC ainsi qu’au Département de physique et d’astronomie de l’Université de Waterloo, est le chercheur principal de ce projet. Depuis 2019, son équipe piège des ions utilisés en simulation quantique au laboratoire d’information quantique, mais elle avait besoin d’un moyen précis de les contrôler.

Un laser pointé sur un ion peut modifier l’état quantique de cet ion, formant un élément de traitement d’information quantique. Cependant, les faisceaux laser comportent des aberrations et des distorsions qui peuvent se traduire par un point flou et large, ce qui pose un problème car la distance entre des ions piégés est de quelques micromètres — soit beaucoup moins que l’épaisseur d’un cheveu humain.

Pour stimuler les ions, l’équipe voulait disposer de faisceaux laser créés avec précision. Pour ce faire, elle a pris un laser, en a gonflé la lumière jusqu’à une largeur de 1 cm, puis l’a projetée à travers une matrice de micromiroirs (MDM) programmable fonctionnant comme un projecteur de films. La MDM se présente sous forme d’une puce comportant 2 millions de miroirs micrométriques contrôlés individuellement à l’aide d’une tension électrique. La MDM est programmée avec un algorithme mis au point par M. Shih pour afficher une image holographique. On peut contrôler avec précision l’intensité et la phase de la lumière produite par l’hologramme de la MDM.

Au cours des essais, l’équipe a été capable de manipuler chaque ion à l’aide de la lumière holographique. Les travaux précédents s’étaient heurtés à des interférences, car lorsqu’un laser est focalisé sur un ion, la lumière se répand sur les ions voisins. Grâce à ce dispositif, l’équipe caractérise avec succès les aberrations en utilisant un ion comme capteur. Elle peut ensuite annuler les aberrations en réglant l’hologramme et obtenir les interférences les plus faibles au monde.

« Ce n’est pas facile d’utiliser des MDM disponibles dans le commerce, dit M. Shih. Leurs contrôleurs sont faits pour des projecteurs et pour la lithographie UV, et non pour des expériences quantiques. La prochaine étape consistera à mettre au point notre propre matériel pour des expériences de calcul quantique. » [traduction]

L’article Reprogrammable and high-precision holographic optical addressing of trapped ions for scalable quantum control (Adressage optique holographique reprogrammable et de haute précision d’ions piégés en vue d’un contrôle quantique adaptable), paru dans npj Quantum Information, expose en détail les travaux des chercheurs.

Ces recherches ont été financées en partie par le Fonds d’excellence en recherche Apogée Canada (FERAC), par l’intermédiaire du groupe Technologies quantiques transformatrices.