Autonomous multi-ion optical clock with on-chip integrated photonic light delivery

技术摘要：具有片上集成光子学光传输功能的自主式多离子光学钟

问题陈述
虽然光学原子钟为基础物理、导航和电信领域提供了无与伦比的精度，但其在实际应用中的部署受到体积庞大的自由空间光学元件的限制。俘获离子钟能够对单个离子进行极佳的隔离，但由于离子数量较少，面临着较高的量子投影噪声问题，且需要复杂的激光系统。尽管集成光子学通过使用片上波导取代自由空间光学元件，为小型化和可扩展性提供了解决方案，但以往的演示主要集中在单个组件的能力上（例如多位点寻址或离子穿梭），而非统一的应用导向型系统。一个关键的挑战仍然在于如何将所有必需的功能——加载、俘获、相干控制和检测——集成到单个、稳健且能自主运行的平台中。

方法论
作者展示了一个使用最多四个 $^{171}\text{Yb}^+$ 离子组成的系综进行自主运行的光学钟，这些离子被俘获在一个室温多位点表面电极阱中。其核心创新在于使用片上集成光子学进行所有的光传输。

• 硬件： 系统使用了一个带有两层嵌入式波导（DC 和 RF 电极）以及光栅耦合器的阱芯片。单模保偏光纤通过 Pyrex V 型槽阵列直接耦合到芯片边缘的渐缩波导中。
• 光传输： 片上多模干涉仪 (MMI) 分束器将光分配到五个波导中，这些波导通过光栅窗口输出四种特定波长的光：369 nm（多普勒冷却/检测）、435 nm（时钟跃迁/E2）、935 nm（再泵浦/状态准备）和 760 nm（状态再泵浦）。虽然由于功率限制，最初的离子加载过程使用了用于 393 nm 和 399 nm 光致电离步骤的自由空间光束，但所有时钟算法激光（冷却、状态准备、探测和检测）均完全通过集成波导进行传输。
• 控制与自动化： 系统采用了自动化的离子穿梭和重新加载技术。当发生离子丢失时，软件会识别空缺位置，并将剩余离子向最近的位点进行穿梭填充，同时在专用加载位点加载新离子作为缓冲。
• 时钟协议： 时钟序列包括冷却、状态准备和探测 E2 跃迁。两个独立的二阶积分器在共振两侧（半宽度失谐）进行探测，以产生误差信号。频率位移经过计算后通过双通声光调制器 (AOM) 应用于局部振荡器。系统持续监测离子存在情况，并在荧光计数滚动平均值低于阈值时触发重新加载。

核心贡献

1. 系统级集成： 本研究通过将自动离子加载、穿梭和交织时钟探测集成到单个自主循环中，弥合了组件级演示与功能性系统之间的差距。
2. 全片上光传输： 时钟序列（状态准备、相干操纵和检测）完全通过集成波导传输的光进行执行，消除了在关键测量阶段对自由空间光学元件的需求。
3. 操作韧性： 系统展示了在离子丢失情况下的持续运行能力。自动重新加载和穿梭协议使得系统能够长时间维持一个完全占据的四离子系综，克服了当前真空环境下离子寿命较短的限制。
4. 可扩展性验证： 作者表征了多个位点间的均匀性，结果显示各位点间的频率偏移在统计上与零一致，且低于系统的阶一伺服误差，这是扩展到更大离子阵列的前提条件。

结果

• 频率稳定性： 自主时钟实现了 $3.14(5) \times 10^{-14}/\sqrt{\tau}$ 的短期分数频率不稳定性。这一性能处于四离子系综预期量子投影噪声（QPN）的 $2.30 \times 10^{-14}/\sqrt{\tau}$ 的两倍以内。
• 操作韧性： 尽管由于真空压力和加热率的影响，运行期间的离子寿命约为一分钟，但系统使四个时钟位点保持占据状态的时间超过了 45%。该时钟在多次场合中连续运行超过两小时，其限制因素主要是算法互锁而非硬件故障。
• 位点均匀性： 在四个不同位点测量了拉比翻转和一阶频率偏移。数据表明不存在显著的位点间频率差异，其偏移量保持在 1.75 Hz 的一阶伺服误差之下。
• 损耗机制： 435 nm 时钟光束的总光学损耗测量为 -27 dB，主要归因于光纤到阱的耦合。作者还观察到，DC 补偿电压需要根据 369 nm 光束功率进行调整，据推测这是由电介质光栅窗口的电荷积累引起的。

意义
本文声称，其主要意义不在于原始的时钟性能（目前受限于真空压力和加热率等技术因素），而在于成功演示了一种可制造且具韧性的架构。通过证明一个复杂的、多离子系统可以在具备片上光传输的情况下自主运行并从离子丢失中自动恢复，本研究为便携式、可扩展的量子传感器和量子计算机建立了一条可行路径。作者认为，这种方法超越了孤立的组件功能，转向了一个能够支持下一代应用的统一系统，适用于便携式光学原子钟和大规模量子计算平台。未来的改进方向被确定为通过更好的真空材料（以延长离子寿命）和在光栅窗口上使用导电涂层（以减少电荷积累和加热率）。