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

Resumo Técnico: Armadilha de Íons em Substrato de Borossilicato com Guia de Onda Integrado Escrito por Laser de Femtossegundo

Definição do Problema
Escalar computadores quânticos de íons aprisionados para milhares de qubits exige superar gargalos críticos de engenharia na entrega de luz óptica. Os sistemas atuais dependem de óptica de espaço livre, que necessitam de objetivas dedicadas para cada zona de porta e tornam-se geometricamente inviáveis à medida que o número de qubits aumenta. Embora circuitos fotônicos integrados ofereçam uma solução, as abordagens de última geração tipicamente posicionam guias de onda abaixo dos eletrodos da armadilha, exigindo elementos de acoplamento fora do plano complexos (ex: acopladores de rede ou microespelhos) que introduzem desafios de fabricação e limitações de largura de banda. Além disso, a integração de óptica e eletrodos em um único substrato é complicada por incompatibilidades de materiais e pela necessidade de alinhamento de alta precisão.

Metodologia
Os autores propõem e validam uma plataforma híbrida onde a camada de entrega óptica é fisicamente separada do substrato do eletrodo da armadilha. A arquitetura consiste em:

1. Empilhamento de Substrato: Uma armadilha de íon de eletrodo de superfície padronizada em uma camada de vidro borossilicato sobre uma lâmina de silício. Um segundo bloco de vidro borossilicato estruturado é colado anodicamente diretamente sobre a superfície da armadilha.
2. Fabricação do Guia de Onda: Guias de onda escritos por laser de femtossegundo (FLW) são inscritos dentro do bloco óptico colado. Estes guias de onda correm paralelos à superfície da armadilha a uma altura ($170\ \mu\text{m}$) que coincide com a posição do íon, eliminando a necessidade de acopladores fora do plano.
3. Engenharia de Processo: A fabricação utiliza processos semicondutores industriais (Infineon Technologies) para a armadilha e escrita direta a laser (JOANNEUM RESEARCH) para a óptica. O processo inclui alinhamento ativo de fibra e colagem ao chip.
4. Caracterização do Guia de Onda: Os autores projetaram sistematicamente o diâmetro do campo de modo (MFD) do guia de onda, ajustando os parâmetros de escrita a laser, especificamente a energia do pulso, a taxa de repetição e os deslocamentos de varredura lateral. Eles caracterizaram a transmissão, a perda por curvatura e a divergência de campo distante em comprimentos de onda relevantes ($729\ \text{nm}$ e $405\ \text{nm}$).
5. Validação Experimental: A plataforma foi testada em um sistema criogênico ($\approx 8\ \text{K}$) utilizando $^{40}\text{Ca}^+$ íons. Os parâmetros de desempenho incluíram taxas de aquecimento, estabilidade do campo elétrico estático e operações de qubit coerentes impulsionadas por luz entregue através do guia de onda integrado.

Principais Contribuições e Resultados

• Entrega de Luz Integrada: A equipe demonstrou com sucesso uma plataforma onde a luz é entregue diretamente ao íon via um guia de onda no plano, contornando a necessidade de estruturas de acoplamento complexas fora do plano.
• Engenharia de Guia de Onda:
  • Alcançou orientação de modo único e baixa perda em $729\ \text{nm}$ com MFDs ajustáveis variando de $\approx 3\ \mu\text{m}$ a $8\ \mu\text{m}$ através do ajuste da energia do pulso e deslocamentos de varredura lateral.
  • Demonstrou guias de onda curvos de baixa perda com raios de curvatura de até $6\ \text{mm}$, possibilitados pelo forte confinamento do modo.
  • Estendeu a operação de modo único para a faixa espectral azul ($405\ \text{nm}$), crucial para o resfriamento e preparação de estado.
• Desempenho de Aprisionamento:
  • Taxas de Aquecimento: Mediu taxas de aquecimento entre $0,5$e$1,5$ quanta/s em uma frequência axial de $1\ \text{MHz}$. A presença do bloco dielétrico a uma distância de $1\ \text{mm}$ não aumentou mensuravelmente as taxas de aquecimento.
  • Campos Estáticos: Caracterizou campos elétricos estáticos, encontrando-os notavelmente estáveis com um desvio médio de $(-4,48 \pm 0,16) \times 10^{-4}\ \text{V/mm/hora}$. A dependência espacial desses campos foi consistente com uma densidade de carga superficial uniforme de $\approx 2\ e/\mu\text{m}^2$ no bloco de vidro.
• Operações Coerentes: Capturou com sucesso um íon $^{40}\text{Ca}^+$, transportou-o para uma zona de endereçamento à frente do guia de onda e impulsionou a dinâmica de qubit coerente (oscilações de Rabi) na transição $4^2S_{1/2} \leftrightarrow 3^2D_{5/2}$ usando luz de $729\ \text{nm}$ entregue através do guia de onda integrado.

Significância e Alegações
O artigo afirma fornecer uma "rota robusta e escalável para a entrega de luz integrada" para dispositivos de íons aprisionados. Ao separar fisicamente as camadas óptica e elétrica, a arquitetura mantém a compatibilidade com a integração baseada em silício (ASICs) e processos padrão de microfabricação, enquanto evita as complexidades de fabricação de acopladores fora do plano.

Os autores enfatizam que a plataforma é compatível com micro-óptica híbrida (ex: lentes pick-and-place) para alcançar o endereçamento de íon único, embora a demonstração atual tenha utilizado um feixe global. Eles observam que, embora a saída atual do guia de onda seja um feixe global com um raio de $\approx 100\ \mu\text{m}$ no íon, o sistema valida a funcionalidade de ponta a ponta da plataforma. O trabalho estabelece que a inscrição de guias de onda paralelos à superfície da armadilha é uma estratégia viável para escalonamento, oferecendo um caminho para contornar as restrições geométricas da óptica de espaço livre sem introduzir aquecimento dielétrico significativo ou instabilidade.