Ion trap on borosilicate substrate with integrated femtosecond-laser-written waveguide

Resumen Técnico: Trampa de Iones en Sustrato de Borosilicato con Guía de Ondas Integrada Escrita por Láser de Femtosegundo

Planteamiento del Problema
Escalar las computadoras cuánticas de iones atrapados a miles de cúbits requiere superar cuellos de botella críticos de ingeniería en la entrega de luz óptica. Los sistemas actuales dependen de la óptica de espacio libre, que requieren objetivos dedicados para cada zona de compuerta y se vuelven geométricamente inviables a medida que aumenta el número de cúbits. Si bien los circuitos fotónicos integrados ofrecen una solución, los enfoques de vanguardia suelen colocar las guías de ondas debajo de los electrodos de la trampa, lo que requiere elementos de acoplamiento fuera del plano complejos (por ejemplo, acopladores de rejilla o microespejos) que introducen desafíos de fabricación y limitaciones de ancho de banda. Además, la integración de la óptica y los electrodos en un solo sustrato se complica por las incompatibilidades de materiales y la necesidad de una alineación de alta precisión.

Metodología
Los autores proponen y validan una plataforma híbrida donde la capa de entrega óptica está físicamente separada del sustrato de los electrodos de la trampa. La arquitectura consiste en:

1. Pila de Sustratos: Una trampa de iones de electrodo superficial patrón sobre una capa de vidrio de borosilicato situada sobre una oblea de silicio. Un segundo bloque de vidrio de borosilicato estructurado se une anódicamente directamente sobre la superficie de la trampa.
2. Fabricación de Guías de Ondas: Se inscriben guías de ondas escritas por láser de femtosegundo (FLW) dentro del bloque óptico unido. Estas guías de ondas corren paralelas a la superficie de la trampa a una altura ($170\ \mu\text{m}$) que coincide con la posición del ion, eliminando la necesidad de acopladores fuera del plano.
3. Ingeniería de Procesos: La fabricación utiliza procesos de semiconductores industriales (Infineon Technologies) para la trampa y escritura directa por láser (JOANNEUM RESEARCH) para la óptica. El proceso incluye la alineación activa de la fibra y la unión al chip.
4. Caracterización de la Guía de Ondas: Los autores diseñaron sistemáticamente el diámetro del campo modal (MFD) de la guía de ondas ajustando los parámetros de escritura del láser, específicamente la energía del pulso, la tasa de repetición y los desplazos de escaneo lateral. Caracterizaron la transmisión, la pérdida por curvatura y la divergencia de campo lejano en longitudes de onda relevantes ($729\ \text{nm}$ y $405\ \text{nm}$).
5. Validación Experimental: La plataforma se probó en un sistema criogénico ($\approx 8\ \text{K}$) con iones de $^{40}\text{Ca}^+$. Las métricas de rendimiento incluyeron tasas de calentamiento, estabilidad del campo eléctrico estático y operaciones de cúbit coherentes impulsadas por la luz entregada a través de la guía de ondas integrada.

Contribuciones Clave y Resultados

• Entrega de Luz Integrada: El equipo demostró con éxito una plataforma donde la luz se entrega directamente al ion mediante una guía de ondas en el plano, evitando la necesidad de estructuras de acoplamiento complejas fuera del plano.
• Ingeniería de Guías de Ondas:
  • Se logró una guía de modo único y de baja pérdida a $729\ \text{nm}$ con MFDs ajustables que van desde $\approx 3\ \mu\text{m}$ hasta $8\ \mu\text{m}$ mediante el ajuste de la energía del pulso y los desplazos de escaneo lateral.
  • Se demostraron guías de ondas curvas de baja pérdida con radios de curvatura de hasta $6\ \text{mm}$, permitidas por una fuerte confinación del modo.
  • Se extendió la operación de modo único al rango espectral azul ($405\ \text{nm}$), crucial para el enfriamiento y la preparación de estados.
• Rendimiento de la Trampa:
  • Tasas de Calentamiento: Se midieron tasas de calentamiento entre $0.5$y$1.5$ cuantos/s a una frecuencia axial de $1\ \text{MHz}$. La presencia del bloque dieléctrico a una distancia de $1\ \text{mm}$ no aumentó mensurablemente las tasas de calentamiento.
  • Campos Estáticos: Se caracterizaron los campos eléctricos estáticos, encontrando que son notablemente estables con una deriva promedio de $(-4.48 \pm 0.16) \times 10^{-4}\ \text{V/mm/hora}$. La dependencia espacial de estos campos fue consistente con una densidad de carga superficial uniforme de $\approx 2\ e/\mu\text{m}^2$ en el bloque de vidrio.
• Operaciones Coherentes: Se atrapó con éxito un ion de $^{40}\text{Ca}^+$, se transportó a una zona de direccionamiento frente a la guía de ondas y se impulsaron dinámicas de cúbit coherentes (oscilaciones de Rabi) en la transición $4^2S_{1/2} \leftrightarrow 3^2D_{5/2}$ utilizando luz de $729\ \text{nm}$ entregada a través de la guía de ondas integrada.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo afirma proporcionar una "ruta robusta y escalable para la entrega de luz integrada" para dispositivos de iones atrapados. Al separar físicamente las capas óptica y eléctrica, la arquitectura mantiene la compatibilidad con la integración basada en silicio (ASICs) y los procesos estándar de microfabricación, al tiempo que evita las complejidades de fabricación de los acopladores fuera del plano.

Los autores enfatizan que la plataforma es compatible con la microóptica híbrida (por ejemplo, lentes de pick-and-place) para lograr el direccionamiento de un solo ion, aunque la demostración actual utilizó un haz global. Señalan que, si bien la salida actual de la guía de ondas es un haz global con un radio de $\approx 100\ \mu\text{m}$ en el ion, el sistema valida la funcionalidad de extremo a extremo de la plataforma. Este trabajo establece que la inscripción de guías de ondas paralelas a la superficie de la trampa es una estrategia viable para el escalado, ofreciendo un camino para sortear las restricciones geométricas de la óptica de espacio libre sin introducir un calentamiento dieléctrico significativo o inestabilidad.