Totalmente em fibra

May 24, 2023

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 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 armadilhas 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 também para coletar a fluorescência do íon. Isto elimina a necessidade de janelas ópticas. Caracterizamos o desempenho do sistema e medimos a fluorescência do íon com relações sinal-fundo da ordem de 50, o que nos permite realizar medições de leitura de estado interno com fidelidade superior a 99% em 600 \(\upmu\)s. Testamos a resiliência do sistema a variações térmicas na faixa entre 22 e 53 \(^{\circ }\)C, e a resiliência do sistema à vibração em 34 Hz ​​e 300 Hz e não encontramos nenhum efeito em seu desempenho. A combinação de compacidade e robustez de nossa armadilha acoplada a fibra 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 de design 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 reproduzíveis, exibindo longa coerência e tempos de vida de captura, e técnicas para preparar, ler e manipular seus estados quânticos internos e externos estão bem desenvolvidas. Isto os torna altamente adequados para uso em processamento de informações quânticas1,2, 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 aprisionados ainda são baseados principalmente na óptica do espaço livre. Isto deixa uma armadilha de íons compacta cercada por um grande volume de componentes ópticos, que são frequentemente suscetíveis a desvios e vibrações, exigindo realinhamento regular, uma vez que a óptica de espaço livre pode levar à instabilidade do direcionamento do feixe e, portanto, à deterioração do desempenho do sistema. Embora para sistemas de investigação baseados em laboratório isto possa ser aceitável, para a operação fora dos laboratórios de investigação isto representa uma barreira significativa. Em particular, a suscetibilidade da direção do feixe e da óptica de detecção a vibrações, flutuações de temperatura e desvios dificulta o uso de íons aprisionados em sistemas de metrologia e sensores em campo.

Nos últimos anos, houve progresso na integração da óptica de detecção de fluorescência na estrutura da armadilha de íons usando fibras ópticas . Isto elimina a necessidade de lentes de grande abertura numérica, que são propensas a desalinhamento e desvio, e permite uma fácil conexão ao detector de fótons. No entanto, isto tem a desvantagem de que a falta de filtragem espacial resulta numa maior sensibilidade à luz espalhada pelos eléctrodos de armadilha ou pelas estruturas circundantes. Outra abordagem é usar detectores supercondutores integrados de fóton único e fotodiodos de avalanche de fóton único. Embora ofereçam grande eficiência de coleta, eles são mais adequados para armadilhas de íons planares em oposição a estruturas de captura tridimensionais, sendo estas últimas preferidas para aplicações de relógio atômico devido às suas taxas de aquecimento mais baixas e maior eficiência de captura. 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 coleta de fluorescência iônica, 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 exigem uma câmara de vácuo com janela e alinhamento cuidadoso de componentes ópticos externos.