Una fibra completamente

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 523 (2023) Citare questo articolo

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Gli ioni intrappolati rappresentano una piattaforma promettente per lo sviluppo di tecnologie quantistiche. Tuttavia, gli esperimenti tradizionali con trappola ionica tendono ad essere ingombranti e sensibili all'ambiente a causa dell'uso dell'ottica nello spazio libero. Qui presentiamo una trappola a ione singolo con fibre ottiche integrate direttamente incorporate nella struttura della trappola, per fornire luce laser e raccogliere la fluorescenza dello ione. Ciò elimina la necessità di finestre ottiche. Caratterizziamo le prestazioni del sistema e misuriamo la fluorescenza degli ioni con rapporti segnale-fondo dell'ordine di 50, che ci consente di eseguire misurazioni di lettura dello stato interno con una fedeltà superiore al 99% in 600 \(\upmu\)s. Testiamo la resilienza del sistema alle variazioni termiche nell'intervallo tra 22 e 53 \(^{\circ }\)C e la resilienza alle vibrazioni del sistema a 34 Hz ​​e 300 Hz e non riscontriamo alcun effetto sulle sue prestazioni. La combinazione di compattezza e robustezza della nostra trappola accoppiata a fibra la rende particolarmente adatta per applicazioni sia all'interno che all'esterno di ambienti di laboratorio di ricerca e in particolare per tecnologie quantistiche portatili altamente compatte, come gli orologi atomici ottici portatili. Sebbene il nostro sistema sia progettato per intrappolare ioni 40Ca+, i principi di progettazione fondamentali possono essere applicati ad altre specie di ioni.

Gli ioni intrappolati sono un candidato promettente per un’ampia gamma di tecnologie quantistiche. Sono sistemi intrinsecamente riproducibili, che mostrano una lunga coerenza e una lunga durata di intrappolamento, e le tecniche per preparare, leggere e manipolare i loro stati quantistici interni ed esterni sono ben sviluppate. Ciò li rende particolarmente adatti all'uso, tra gli altri, nell'elaborazione delle informazioni quantistiche1,2, nella spettroscopia di precisione3 e nei test di fisica fondamentale4,5. Sebbene siano stati compiuti notevoli progressi nello sviluppo e nella miniaturizzazione di nuove strutture di intrappolamento ionico e di sistemi di vuoto associati6,7, i sistemi ottici necessari per manipolare e rilevare lo stato degli ioni intrappolati sono ancora principalmente basati sull'ottica dello spazio libero. Ciò lascia una trappola ionica compatta circondata da un grande volume di componenti ottici, che sono spesso suscettibili a derive e vibrazioni, che richiedono un riallineamento regolare, poiché l'ottica nello spazio libero può portare a instabilità nel puntamento del raggio e quindi a un deterioramento delle prestazioni del sistema. Mentre per i sistemi di ricerca di laboratorio ciò può essere accettabile, per il funzionamento al di fuori dei laboratori di ricerca ciò rappresenta una barriera significativa. In particolare, la suscettibilità dell'ottica di orientamento e rilevamento del raggio a vibrazioni, fluttuazioni di temperatura e derive ostacola l'uso di ioni intrappolati nella metrologia sul campo e nei sistemi di sensori.

Negli ultimi anni sono stati compiuti progressi nell'integrazione dell'ottica di rilevamento della fluorescenza nella struttura della trappola ionica utilizzando fibre ottiche8,9,10. Ciò elimina la necessità di lenti ad ampia apertura numerica, soggette a disallineamento e deriva, e consente un facile collegamento al rilevatore di fotoni. Tuttavia, ciò comporta lo svantaggio che la mancanza di filtraggio spaziale si traduce in una maggiore sensibilità alla luce diffusa dagli elettrodi della trappola o dalle strutture circostanti. Un altro approccio consiste nell'utilizzare rilevatori superconduttori a singolo fotone integrati11 e fotodiodi a valanga a singolo fotone12. Sebbene offrano grandi efficienze di raccolta, sono più adatte alle trappole ioniche planari rispetto alle strutture di intrappolamento tridimensionali, queste ultime preferite per le applicazioni dell'orologio atomico a causa della loro velocità di riscaldamento inferiore e delle maggiori efficienze di intrappolamento. Inoltre, l'obbligo di operare a temperature criogeniche per i dispositivi superconduttori ne vieta l'uso in sistemi altamente compatti e portatili. Un terzo approccio consiste nell'utilizzare l'ottica integrata sotto vuoto per massimizzare la raccolta della fluorescenza ionica13,14,15, lavorando in combinazione con elementi ottici fuori vuoto. Queste soluzioni si adattano bene alle trappole ioniche planari e sono particolarmente interessanti per i sistemi multi-ionici, ma richiedono comunque una camera a vuoto con finestre e un attento allineamento dei componenti ottici esterni.