New optical system designed to target and control individual atoms
Using laser light, researchers have developed the most robust method currently known to control individual qubits made of the chemical element barium. The ability to reliably control a qubit is an important achievement for realizing future functional quantum computers.
This new method, developed at the University of Waterloo’s Institute for Quantum Computing (IQC), uses a small glass waveguide to separate laser beams and focus them four microns apart, about four-hundredths of the width of a single human hair. The precision and extent to which each focused laser beam on its target qubit can be controlled in parallel is unmatched by previous research.
Green laser light is the correct energy to manipulate the energy states of barium ions.
“Our design limits the amount of crosstalk–the amount of light falling on neighbouring ions–to the very small relative intensity of 0.01 per cent, which is among the best in the quantum community,” said Dr. K. Rajibul Islam, a professor at IQC and Waterloo’s Department of Physics and Astronomy. “Unlike previous methods to create agile controls over individual ions, the fibre-based modulators do not affect each other.
“This means we can talk to any ion without affecting its neighbours while also retaining the capability to control each individual ion to the maximum possible extent. This is the most flexible ion qubit control system with this high precision that we know of anywhere, in both academia and industry.”
The researchers targeted barium ions, which are becoming increasingly popular in the field of trapped ion quantum computation. Barium ions have convenient energy states that can be used as the zero and one levels of a qubit and be manipulated with visible green light, unlike the higher energy ultraviolet light needed for other atom types for the same manipulation. This allows the researchers to use commercially available optical technologies that are not available for ultraviolet wavelengths.
The researchers created a waveguide chip that divides a single laser beam into 16 different channels of light. Each channel is then directed into individual optical fibre-based modulators which independently provide agile control over each laser beam’s intensity, frequency, and phase. The laser beams are then focused down to their small spacing using a series of optical lenses similar to a telescope. The researchers confirmed each laser beam’s focus and control by measuring them with precise camera sensors.
“This work is part of our effort at the University of Waterloo to build barium ion quantum processors using atomic systems,” said Dr. Crystal Senko, Islam’s co-principal investigator and a faculty member at IQC and Waterloo’s Department of Physics and Astronomy. “We use ions because they are identical, nature-made qubits, so we don’t need to fabricate them. Our task is to find ways to control them.”
The new waveguide method demonstrates a simple and precise method of control, showing promise for manipulating ions to encode and process quantum data and for implementation in quantum simulation and computing.
The paper, A guided light system for agile individual addressing of Ba+ qubits with 10−4 level intensity crosstalk, was published by Ali Binai-Motlagh, Dr. Matt Day, Nikolay Videnov, Noah Greenberg, Senko and Islam in Quantum Science and Technology.
Des chercheurs de Waterloo franchissent une étape importante vers un traitement fiable de l’information quantique
Nouveau système optique conçu pour cibler et contrôler des atomes uniques
Des chercheurs ont conçu la méthode la plus fiable à ce jour pour contrôler les qubits uniques de baryum grâce à la lumière laser. La capacité à contrôler efficacement un qubit est une percée majeure pour la construction d’ordinateurs quantiques fonctionnels.
Cette nouvelle méthode, mise au point à l’Institut d’informatique quantique (IQC) de l’Université de Waterloo, use d’un petit guide d’ondes en verre pour séparer les faisceaux laser et les espacer de quatre micromètres, soit environ quatre centièmes de l’épaisseur d’un cheveu humain. Jusqu’à présent, la recherche n’était jamais arrivée à une telle précision et à un tel degré de contrôle en parallèle des faisceaux laser sur leurs qubits cibles.
La manipulation des niveaux d’énergie des ions de baryum requiert une lumière laser verte.
« Notre modèle limite la quantité de diaphonie – la lumière répercutée sur les ions environnants – à une intensité relative très basse de 0,01 %, l’un des meilleurs chiffres de la communauté de la quantique, explique K. Rajibul Islam, professeur à l’IQC et au Département de physique et d’astronomie de Waterloo. Contrairement aux méthodes précédentes pour contrôler aisément les ions uniques, celle-ci empêche les modulateurs à fibre optique d’interférer entre eux. »
« Nous pouvons ainsi interagir avec n’importe quel ion sans affecter ceux autour, tout en gardant un maximum de contrôle sur chacun. À notre connaissance, aucun système de contrôle des qubits à ions utilisé dans les secteurs universitaire et privé n’est à la fois aussi précis et aussi souple que celui-là. »
Les chercheurs se sont penchés sur les ions de baryum, qui gagnent en popularité dans le domaine de l’informatique quantique des ions piégés. Les ions de baryum ont des niveaux d’énergie simples qui peuvent être utilisés comme niveaux 0 et 1 d’un qubit et manipulés par de la lumière verte visible, contrairement à d’autres types d’atomes dont la manipulation nécessite un rayonnement ultraviolet à énergie plus élevé. Les chercheurs peuvent ainsi tirer parti de technologies optiques disponibles sur le marché, chose impossible lorsqu’on travaille avec des longueurs d’onde ultraviolettes.
L’équipe de recherche a créé une puce de guide d’ondes qui divise un faisceau laser en 16 pinceaux lumineux différents. Chaque pinceau lumineux est ensuite dirigé vers un modulateur à fibre optique, qui offre un bon contrôle de l’intensité, de la fréquence et de la phase de chaque faisceau laser. Ces derniers sont ensuite concentrés à petite distance les uns des autres grâce à un ensemble de lentilles optiques semblables à un télescope. Les chercheurs ont vérifié la concentration et le contrôle de chaque faisceau laser en les mesurant avec des capteurs photographiques précis.
« Ce projet s’inscrit dans les efforts de l’Université de Waterloo pour bâtir des processeurs quantiques d’ions de baryum avec des systèmes atomiques », affirme Crystal Senko, cochercheuse principale avec K. Rajibul Islam et membre du corps professoral de l’IQC et du Département de physique et d’astronomie de Waterloo. « Nous utilisons les ions parce qu’ils sont des qubits identiques naturels; nous n’avons pas besoin de les fabriquer. Notre défi, c’est de trouver des manières de les contrôler. »
Cette nouvelle méthode de contrôle par guide d’ondes est simple et précise, donc prometteuse pour la manipulation d’ions dans une optique d’encodage et de traitement des données quantiques et pour la concrétisation de la simulation et de l’informatique quantiques.
L’article « A guided light system for agile individual addressing of Ba+ qubits with 10−4 level intensity crosstalk » a été publié par Ali Binai-Motlagh, Matthew L. Day, Nikolay Videnov, Noah Greenberg, Crystal Senko et K. Rajibul Islam dans la revue Quantum Science and Technology.