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

実用的な量子コンピュータや超高感度センサーの構築に向けた探求は、理論の壁ではなく、サイズの壁に突き当たることがよくあります。個々の原子のような物質の最小単位を操作するために、科学者たちは通常、「光ピンセット」を使用します。これは、本質的には、粒子をその場に保持する「見えない指」として機能する、非常に強く集束された光のビームです。研究室では、これらのビームは通常、大きく重いガラスレンズを通して光を照射することによって作られます。これらは効果的ではありますが、部品が嵩高く、高価で、壊れやすく、完璧に位置合わせをすることが困難です。装置がわずかにでもずれると、原子への繊細な把握力が失われてしまいます。量子技術が研究室を飛び出し、現実世界（例えば、安全な通信を実現したり、将来のネットワークを支えたりすること）へと進出するためには、より小型で軽量であり、かつ制御されていない環境でも耐えうる堅牢なシステムが必要となります。

ここで、光ファイバーの柔軟性が有望な解決策を提示します。硬いガラスレンズとは異なり、ファイバーは光を長距離にわたって導くことができる、細く曲げられる紐のようなものです。しかし、単一のファイバーを使用して原子をトラップすることには大きな制限があります。それは、ファイバーが単一のパイプのように機能するため、複数の独立したトラップを素早く動かすことが難しいという点です。この問題を解決するために、ダラム大学の研究者たちは、単一のコンパクトなデバイスから2つの別々の制御可能なトラップを作成できる、特殊なタイプのファイバー束を用いた新しい手法を開発しました。彼らの研究は、現実世界の量子アプリケーションに求められる小さなパッケージに収まるような、再構成可能なアレイ状の原子トラップへの道筋を示しています。

チームはまず、「融合カプラー（fused coupler）」として知られるデバイスを使用することから始めました。これは、本質的には2つのマルチモードファイバーの端を溶接して1つの出力を形成したものです。マルチモードファイバーは、標準的なファイバーが1つの光のパターンしか運べないのに対し、多くの異なる光のパターンを同時に運ぶことができるほど幅が広いという特徴があります。研究者たちは、このカプラーの2つの入力端に2つの別々のレーザービームを接続しました。ファイバー内部の光の形を整えるために、彼らはデジタルマイクロミラーデバイス（数千の小さな鏡で覆われ、光を精密なパターンに導くために傾けることができるチップ）を使用しました。これらの鏡をプログラミングすることで、光の波がファイバー内を通過する際にどのように干渉するかを正確に制御し、それによって、ファイバーの端で光を鋭く集束させることができました。

まず、研究者たちは1つの入力チャンネルのみを使用してシステムをテストしました。彼らは鏡をプログラミングして、ファイバーの端に単一の強烈な光の点を生成しました。このスポットのサイズを測定したところ、驚くほど小さく、幅は約2.00マイクロメートル、つまり細菌のサイズと同程度でした。これは単一の原子をトラップするのに十分な大きさです。また、カメラに対してファイバーを動かした際のスポットの挙動を確認し、ファイバー内の複雑でねじれた経路を通っているにもかかわらず、フォーカスが鋭く保たれ、完璧なレンズと同じように振る舞うことを確認しました。

真のブレイクスルーは、両方の入力チャンネルを同時に起動して、2つの別々のトラップを作成したときに訪れました。過去には、単一のファイバーに2つのビームを送ろうとすると、それらが互いに干渉し合い、2つの原子を独立して安定した位置に保持することを不可能にするような、乱れた変化する光のパターンを引き起こすことがよくありました。これを防ぐために、研究者たちは一方のチャンネルの光の周波数、つまり「ピッチ」にわずかな差を導入しました。この小さなオフセットにより、2つのビーム間の干渉が非常に高速に振動するようになり、原子（はるかにゆっくりと動くもの）は単に2つのビームの平均値を感じるだけとなりました。その結果、2つの明確で安定したトラップが、互いに独立して配置されることになりました。

チームは次に、これら2つのトラップがどの程度制御できるかをテストしました。彼らはシステムをプログラミングして、2つの光のスポットを互いにさまざまな距離に配置し、実際のトラップ間の距離が意図したターゲットとほぼ完璧に一致することを見出しました。さらに重要なことに、彼らはシステムの「位置ずれに対する耐性」をテストしました。多くの光学システムでは、ファイバーに入る光の狙いが完璧でない場合、出力ビームがずれたり揺れたりします。しかし、研究者たちは、入力ビームを片方のチャンネルに対して意図的にずらしても、結果として得られるトラップの位置はほとんど動きませんでした。場所がずれる代わりに、トラップは単に暗くなっただけでした。これは、このシステムが非常に寛容であることを意味します。つまり、装置が振動したりわずかに動いたりしても、原子は正確に同じ場所に保持されるということであり、これは、現実世界の環境で信頼性高く動作する必要があるあらゆるデバイスにとって極めて重要な要件です。

研究者たちはまた、2つのトラップが互いにどの程度干渉するかを測定しました。彼らは、一方のトラップのための光がもう一方へ漏れ出すレベルは、カメラ自体のランダムな背景ノイズと同等であり、ほとんど検出不可能なほど低いことを見出しました。この高い隔離レベルにより、例えば、隣の原子を乱すことなく、特定の原子を操作するために一つのトラップをオフにするといったことが可能になります。今回の実験では比較的低い出力が使用されましたが、著者らは、この手法がより強力なレーザーとも互換性があり、それがより多くの原子をトラップするために必要であると述べています。

この研究は、融合ファイバーカプラーが、光学トラップのアレイを作成するためのコンパクトで堅牢なプラットフォームとして機能することを立証しました。光ファイバーの柔軟性とデジタル制御による光の整形能力を組み合わせることで、研究者たちは、より小さく安価であるだけでなく、現実世界の凹凸や衝撃に対してはるかに安定した量子システムを構築する方法を示しました。次のステップは、これらのトラップを使用して実際の原子を捕獲し配置することであり、それによって、研究室のベンチ上だけでなく、現場に展開可能な量子ネットワークやセンサーへの道が開かれます。