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

De zoektocht naar het bouwen van praktische kwantumcomputers en ultrasensitieve sensoren loopt vaak tegen een muur aan die niet van de theorie is, maar van omvang. Om de kleinste eenheden materie, zoals individuele atomen, te manipuleren, gebruiken wetenschappers doorgaans "optische pincetten", wat in essentie nauw gefocuste lichtbundels zijn die werken als onzichtbare vingers om deeltjes op hun plaats te houden. In een laboratorium worden deze bundels meestal gecreëerd door licht door grote, zware glazen lenzen te schijnen. Hoewel effectief, zijn deze volumineuze componenten duur, kwetsbaar en moeilijk perfect uit te lijnen. Als de apparatuur zelfs maar een klein beetje verschuift, gaat de delicate grip op het atoom verloren. Voor kwantumtechnologie om uit het laboratorium naar de echte wereld te verhuizen—misschien voor beveiligde communicatie of het voeden van toekomstige netwerken—hebben onderzoekers systemen nodig die klein, lichtgewicht en robuust genoeg zijn om te overleven in minder gecontroleerde omgevingen.

Dit is waar de flexibiliteit van optische vezels een veelbelovende oplossing biedt. In tegenstelling tot rigide glazen lenzen zijn vezels dunne, buigbare draden die licht over lange afstanden kunnen geleiden. Het gebruik van een enkele vezel om atomen te vangen heeft echter een grote beperking: het werkt als een enkele pijp, waardoor het moeilijk is om meerdere, onafhankelijke vallen te creëren die snel rond kunnen worden verplaatst. Om dit op te lossen, hebben onderzoekers aan de Universiteit van Durham een nieuwe methode ontwikkeld met behulp van een speciaal type vezelbundel, waarmee ze twee afzonderlijke, controleerbare vallen kunnen creëren vanuit één compact apparaat. Hun werk demonstreert een pad naar herconfigureerbare arrays van atoomvallen die in de kleine pakketten kunnen passen die vereist zijn voor kwantumtoepassingen in de echte wereld.

Het team begon met het gebruik van een apparaat dat bekend staat als een gefuseerde coupler, wat in essentie twee multimode-vezels zijn die aan één uiteinde zijn samengesmolten om een enkele output te vormen. Multimode-vezels zijn uniek omdat ze breed genoeg zijn om veel verschillende lichtpatronen tegelijkertijd te dragen, in tegenstelling tot standaardvezels die slechts één patroon dragen. De onderzoekers verbonden twee afzonderlijke laserbundels met de twee ingangskanalen van deze coupler. Om het licht binnen de vezels te vormen, gebruikten ze een digitale micromirrorspiegel-device, een chip bedekt met duizenden minuscule spiegeltjes die kunnen kantelen om licht in precieze patronen te sturen. Door deze spiegels te programmeren, konden ze precies controleren hoe de lichtgolven met elkaar interfereerden terwijl ze door de vezel reisden, waardoor ze het licht in een strak punt konden focussen aan de andere kant.

Eerst testten de onderzoekers het systeem met slechts één ingangskanaal. Ze programmeerden de spiegels om een enkel, intens punt van licht aan het uiteinde van de vezel te creëren. Ze maten de grootte van dit punt en vonden het ongelooflijk klein, ongeveer 2,00 micrometer breed, wat ongeveer de grootte van een bacterie is. Dit is klein genoeg om een enkel atoom te vangen. Ze controleerden ook hoe het punt zich gedroeg wanneer ze de vezel ten opzichte van de camera bewogen, waarbij ze bevestigden dat de focus scherp bleef en zich gedroeg zoals een perfecte lens zou doen, ondanks het reizen door de complexe, draaiende paden binnen de vezel.

De echte doorbraak kwam toen ze beide ingangskanalen tegelijkertijd activeerden om twee afzonderlijke vallen te creëren. In het verleden zorgde het proberen door twee bundels door een enkele vezel te sturen er vaak voor dat ze met elkaar interfereerden, wat een rommelig, verschuivend lichtpatroon veroorzaakte dat het onmogelijk zou maken om twee atomen in stabiele, onafhankelijke posities vast te houden. Om dit te voorkomen, introduceerden de onderzoekers een klein verschil in de frequentie, of toonhoogte, van het licht in één van de kanalen. Deze kleine offset zorgde ervoor dat de interferentie tussen de twee bundels zo snel oscilleerde dat de atomen, die veel langzamer bewegen, simpelweg het gemiddelde van de twee bundels voelden. Het resultaat was twee duidelijke, stabiele vallen die onafhankelijk van elkaar gepositioneerd konden worden.

Het team testte vervolgens hoe goed deze twee vallen gecontroleerd konden worden. Ze programmeerden het systeem om de twee lichtpunten op verschillende afstanden van elkaar te plaatsen en ontdekten dat de werkelijke afstand tussen de vallen bijna perfect overeenkwam met hun beoogde doelen. Nog belangrijker was dat ze de veerkracht van het systeem tegen misuitlijning testten. In veel optische systemen verschuift of wiebelt de outputbundel als het licht dat de vezel ingaat niet perfect gericht is. De onderzoekers ontdekten echter dat wanneer ze de ingangsbundel van één van de kanalen opzettelijk mis uitlijnden, de positie van de resulterende val nauwelijks bewoog. In plaats van van locatie te verschuiven, werd de val simpelweg minder fel. Dit betekent dat het systeem zeer vergevingsgezind is; zelfs als de apparatuur trilt of verschuift, blijven de atomen precies op dezelfde plek gevangen, wat een cruciale vereiste is voor elk apparaat dat betrouwbaar moet functionen buiten een gecontroleerde laboratoriumomgeving.

De onderzoekers maten ook in welke mate de twee vallen met elkaar interfereerden. Ze ontdekten dat het licht dat bedoeld was voor de ene val in de andere lekte op een niveau dat zo laag was dat het nauwelijks detecteerbaar was, vergelijkbaar met de willekeurige achtergrondruis van de camera zelf. Dit hoge niveau van isolatie betekent dat wetenschappers bijvoorbeeld één val uit kunnen schakelen om een specifiek atoom te manipuleren zonder de buurman te verstoren. Hoewel de huidige experimenten relatief laag vermogen gebruikten, merken de auteurs op dat de methode compatibel is met veel sterkere lasers, wat nodig zou zijn om atomen in grotere aantallen te vangen.

Dit werk vestigt dat gefuseerde vezelcouplers kunnen dienen als een compact, robuust platform voor het creëren van arrays van optische vallen. Door de flexibiliteit van glasvezel te combineren met het vermogen om licht door digitale controle te vormen, hebben de onderzoekers aangetoond dat er een manier is om kwantumsystemen te bouwen die niet alleen kleiner en goedkoper zijn, maar ook veel stabieler tegen de schokken en trillingen van de echte wereld. De volgende stap voor deze technologie is het gebruik van deze vallen om werkelijke atomen te vangen en te rangschikken, wat de weg vrijmaakt voor kwantumnetwerken en sensoren die in het veld kunnen worden ingezet in plaats van alleen op een laboratoriumtafel.