Focusing through coupled multimode fibers for miniaturized single-atom tweezer arrays

Das Bestreben, praktische Quantencomputer und ultrasensitive Sensoren zu bauen, stößt oft nicht an eine theoretische Wand, sondern an eine Wand der Größe. Um die kleinsten Einheiten der Materie, wie etwa einzelne Atome, zu manipulieren, verwenden Wissenschaftler typischerweise „optische Pinzetten“, die im Wesentlichen aus eng gebündelten Lichtstrahlen bestehen, die wie unsichtbare Finger wirken und Teilchen an Ort und Stelle halten. In einem Labor werden diese Strahlen meist erzeugt, indem Licht durch große, schwere Glaslinsen geschickt wird. Obwohl diese Komponenten effektiv sind, sind sie sperrig, teuer, zerbrechlich und schwierig perfekt auszurichten. Wenn sich die Ausrüstung auch nur geringfügig verschiebt, geht der empfindliche Griff auf das Atom verloren. Damit die Quantentechnologie aus dem Labor in die reale Welt gelangen kann – etwa zur sicheren Kommunikation oder zur Leistung zukünftiger Netzwerke – benötigen Forscher Systeme, die klein, leicht und robust genug sind, um in weniger kontrollierten Umgebungen zu bestehen.

Hier bietet die Flexibilität von Lichtwellenleitern (optischen Fasern) eine vielversprechende Lösung. Im Gegensatz zu starren Glaslinsen sind Fasern dünne, biegbare Stränge, die Licht über lange Strecken leiten können. Die Verwendung einer einzelnen Faser zum Fangen von Atomen hat jedoch eine wesentliche Einschränkung: Sie wirkt wie ein einzelnes Rohr, was es schwierig macht, mehrere unabhängige Fallen zu erstellen, die schnell bewegt werden können. Um dies zu lösen, haben Forscher der Universität Durham eine neue Methode unter Verwendung eines speziellen Typen von Faserbündeln entwickelt, mit dem sie zwei separate, steuerbare Fallen aus einem einzigen, kompakten Gerät erzeugen können. Ihre Arbeit zeigt einen Weg zu rekonfigurierbaren Anordnungen von Atomfallen auf, die in die kleinen Gehäuse passen könnten, die für reale Quantenanwendungen erforderlich sind.

Das Team begann mit der Verwendung einer Vorrichtung, die als „Fused Coupler“ (verschmolzener Koppler) bekannt ist, was im Wesentlichen zwei zusammengeschmolzene Multimode-Fasern ist, die an einem Ende zu einem einzigen Ausgang verschmolzen wurden. Multimode-Fasern sind einzigartig, weil sie breit genug sind, um viele verschiedene Lichtmuster gleichzeitig zu tragen, im Gegensatz zu Standardfasern, die nur ein Muster transportieren. Die Forscher verbanden zwei separate Laserstrahlen mit den beiden Eingangsenden dieses Kopplers. Um das Licht innerhalb der Fasern zu formen, verwendeten sie eine digitale Mikromirrorspiegel-Einrichtung (Digital Micromirror Device), einen Chip, der mit tausenden winzigen Spiegeln bedeckt ist, die geneigt werden können, um Licht in präzisen Mustern zu lenken. Durch die Programmierung dieser Spiegel konnten sie genau kontrollieren, wie die Lichtwellen miteinander interferieren, während sie durch die Faser reisten, was es ihnen ermöglichte, das Licht in einem engen Punkt am anderen Ende zu fokussieren.

Zuerst testeten die Forscher das System mit nur einem Eingangskanal. Sie programmierten die Spiegel, um einen einzelnen, intensiven Lichtpunkt am Ende der Faser zu erzeugen. Sie maßen die Größe dieses Spots und stellten fest, dass er unglaublich klein war, etwa 2,00 Mikrometer breit, was in etwa der Größe eines Bakteriums entspricht. Dies ist klein genug, um ein einzelnes Atom einzufangen. Sie prüften auch, wie sich der Spot verhielt, wenn sie die Faser relativ zur Kamera bewegten, und bestätigten, dass der Fokus scharf blieb und sich genau so verhielt, wie eine perfekte Linse es tun würde, obwohl er durch die komplexen, gewundenen Pfade innerhalb der Faser reiste.

Der eigentliche Durchbruch gelang, als sie beide Eingangskanäle gleichzeitig aktivierten, um zwei separate Fallen zu erzeugen. In der Vergangenheit führte der Versuch, zwei Strahlen durch eine einzige Faser zu senden, oft dazu, dass diese miteinander interferierten, was ein unordentliches, schwankendes Lichtmuster erzeugte, das es unmöglich machte, zwei stabile, unabhängige Atome in Position zu halten. Um dies zu verhindern, führten die Forscher einen leichten Unterschied in der Frequenz, oder dem Pitch, des Lichts in einem der Kanäle ein. Dieser kleine Versatz bewirkte, dass die Interferenz zwischen den beiden Strahlen so schnell oszillierte, dass die Atome, die sich viel langsamer bewegen, einfach den Durchschnitt der beiden Strahlen wahrnahmen. Das Ergebnis waren zwei distinkte, stabile Fallen, die unabhängig vone виде voneinander positioniert werden konnten.

Das Team testete dann, wie gut diese zwei Fallen gesteuert werden konnten. Sie programmierten das System, die beiden Lichtspots in verschiedenen Abständen zueinander zu platzieren, und stellten fest, dass der tatsächliche Abstand zwischen den Fallen fast perfekt den angestrebten Zielen entsprach. Noch wichtiger war, dass sie die Widerstandsfähigkeit des Systems gegenüber Fehlausrichtung testeten. In vielen optischen Systemen verschiebt oder wackelt der Ausgangsstrahl, wenn das Licht, das in die Faser eintritt, nicht perfekt ausgerichtet ist. Die Forscher fanden jedoch heraus, dass sich die Position der resultierenden Falle kaum veränderte, wenn sie den Eingangsstrahl für einen der Kanäle absichtlich falsch ausrichteten. Anstatt den Ort zu verändern, wurde die Falle lediglich dunkler. Dies bedeutet, dass das System sehr fehlertolerant ist; selbst wenn die Ausrüstung vibriert oder sich leicht verschiebt, bleiben die Atome exakt an derselben Stelle gehalten, was eine kritische Anforderung für jedes Gerät ist, das zuverlässig außerhalb eines kontrollierten Labors arbeiten muss.

Die Forscher maßen auch, wie stark die beiden Fallen miteinander interferieren. Sie fanden heraus, dass das Licht, das für eine Falle bestimmt war, in die andere mit einem Niveau einsickerte, das so gering war, dass es kaum nachweisbar war und mit dem zufälligen Hintergrundrauschen der Kamera vergleichbar war. Diese hohe Isolation bedeutet, dass Wissenschaftler beispielsweise eine Falle ausschalten könnten, um ein spezifisches Atom zu manipulieren, ohne dessen Nachbarn zu stören. Während die aktuellen Experimente mit relativ geringer Leistung durchgeführt wurden, merken die Autoren an, dass die Methode mit viel stärkeren Lasern kompatibel ist, die notwendig wären, um Atome in größeren Zahlen einzufangen.

Diese Arbeit etabliert, dass verschmolzene Faserkoppler als kompakte, robuste Plattform für die Erstellung von Arrays optischer Fallen dienen können. Durch die Kombination der Flexibilität der Glasfaser mit der Fähigkeit, Licht durch digitale Steuerung zu formen, haben die Forscher einen Weg aufgezeigt, Quantensysteme zu bauen, die nicht nur kleiner und billiger, sondern auch weitaus stabiler gegenüber den Erschütterungen und Stößen der realen Welt sind. Der nächste Schritt für diese Technologie besteht darin, diese Fallen zu nutzen, um tatsächliche Atome einzufangen und anzuordnen, was den Weg für Quantennetzwerke und Sensoren ebnet, die im Feld statt nur auf einem Labortisch eingesetzt werden können.