Um totalmente fibra

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 523 (2023) Citar este artigo

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Os íons aprisionados são uma plataforma promissora para a implantação de tecnologias quânticas. No entanto, os experimentos tradicionais de armadilha de íons tendem a ser volumosos e sensíveis ao ambiente devido ao uso de óptica de espaço livre. Aqui apresentamos uma armadilha de íon único com fibras ópticas integradas diretamente embutidas na estrutura da armadilha, para fornecer luz laser e coletar a fluorescência do íon. Isso elimina a necessidade de janelas ópticas. Caracterizamos o desempenho do sistema e medimos a fluorescência do íon com razões sinal-fundo da ordem de 50, o que nos permite realizar medições de leitura de estado interno com fidelidade acima de 99% em 600 \(\upmu\)s. Testamos a resiliência do sistema a variações térmicas na faixa entre 22 e 53 \(^{\circ }\)C e a resiliência à vibração do sistema em 34 Hz ​​e 300 Hz e não encontramos nenhum efeito em seu desempenho. A combinação de compacidade e robustez de nossa armadilha de fibra acoplada a torna adequada para aplicações dentro e fora de ambientes de laboratório de pesquisa e, em particular, para tecnologias quânticas portáteis altamente compactas, como relógios atômicos ópticos portáteis. Embora nosso sistema seja projetado para capturar íons 40Ca+, os princípios fundamentais do projeto podem ser aplicados a outras espécies de íons.

Os íons aprisionados são candidatos promissores para uma ampla gama de tecnologias quânticas. Eles são sistemas intrinsecamente reprodutíveis, exibindo longa coerência e vida útil, e técnicas para preparar, ler e manipular seus estados quânticos internos e externos são bem desenvolvidos. Isso os torna altamente adequados para serem usados ​​em processamento de informação quântica1,2, espectroscopia de precisão3 e testes de física fundamental4,5 entre outros. Embora tenha havido um progresso notável no desenvolvimento e miniaturização de novas estruturas de captura de íons e sistemas de vácuo associados6,7, os sistemas ópticos necessários para manipular e detectar o estado dos íons presos ainda são baseados principalmente na óptica de espaço livre. Isso deixa uma armadilha de íons compacta cercada por um grande volume de componentes ópticos, que geralmente são suscetíveis a desvios e vibrações, exigindo realinhamento regular, uma vez que a óptica de espaço livre pode levar à instabilidade de apontamento de feixe e, portanto, à deterioração do desempenho do sistema. Enquanto para sistemas de pesquisa baseados em laboratório isso pode ser aceitável, para operação fora de laboratórios de pesquisa isso representa uma barreira significativa. Em particular, a suscetibilidade do direcionamento do feixe e da ótica de detecção a vibrações, flutuações de temperatura e desvios dificulta o uso de íons aprisionados em sistemas de sensores e metrologia de campo.

Nos últimos anos, houve progresso na integração da óptica de detecção de fluorescência na estrutura de armadilha de íons usando fibras ópticas8,9,10. Isso elimina a necessidade de lentes de grande abertura numérica, que são propensas a desalinhamento e desvio e permite uma conexão fácil ao detector de fótons. No entanto, isso vem com a desvantagem de que a falta de filtragem espacial resulta em uma maior sensibilidade à luz espalhada pelos eletrodos da armadilha ou pelas estruturas circundantes. Outra abordagem é usar detectores de fótons únicos supercondutores integrados11 e fotodiodos de avalanche de fótons únicos12. Embora ofereçam grande eficiência de coleta, eles são mais adequados para armadilhas de íons planares em oposição a estruturas de captura tridimensionais, sendo esta última preferida para aplicações de relógio atômico devido a suas taxas de aquecimento mais baixas e eficiências de captura mais altas. Além disso, a exigência de operar em temperaturas criogênicas para dispositivos supercondutores proíbe seu uso em sistemas altamente compactos e portáteis. Uma terceira abordagem é usar óptica integrada no vácuo para maximizar a coleção de fluorescência iônica13,14,15, trabalhando em conjunto com elementos ópticos fora do vácuo. Essas soluções são adequadas para armadilhas de íons planares e são particularmente interessantes para sistemas multi-íon, mas ainda requerem uma câmara de vácuo com janela e alinhamento cuidadoso dos componentes ópticos externos.