Papers
Topics
Authors
Recent
Gemini 2.5 Flash
Gemini 2.5 Flash
173 tokens/sec
GPT-4o
7 tokens/sec
Gemini 2.5 Pro Pro
46 tokens/sec
o3 Pro
4 tokens/sec
GPT-4.1 Pro
38 tokens/sec
DeepSeek R1 via Azure Pro
28 tokens/sec
2000 character limit reached

Ion Trap with In-Vacuum High Numerical Aperture Imaging for a Dual-Species Modular Quantum Computer (2310.07058v2)

Published 10 Oct 2023 in quant-ph and physics.atom-ph

Abstract: Photonic interconnects between quantum systems will play a central role in both scalable quantum computing and quantum networking. Entanglement of remote qubits via photons has been demonstrated in many platforms; however, improving the rate of entanglement generation will be instrumental for integrating photonic links into modular quantum computers. We present an ion trap system that has the highest reported free-space photon collection efficiency for quantum networking. We use a pair of in-vacuum aspheric lenses, each with a numerical aperture of 0.8, to couple 10% of the 493 nm photons emitted from a ${138}$Ba$+$ ion into single-mode fibers. We also demonstrate that proximal effects of the lenses on the ion position and motion can be mitigated.

Definition Search Book Streamline Icon: https://streamlinehq.com
References (48)
  1. P. Wang, C.-Y. Luan, M. Qiao, M. Um, J. Zhang, Y. Wang, X. Yuan, M. Gu, J. Zhang,  and K. Kim, “Single ion qubit with estimated coherence time exceeding one hour,” Nature Communications 12, 233 (2021).
  2. F. A. An, A. Ransford, A. Schaffer, L. R. Sletten, J. Gaebler, J. Hostetter,  and G. Vittorini, “High fidelity state preparation and measurement of ion hyperfine qubits with I>12𝐼12{I}>\frac{1}{2}italic_I > divide start_ARG 1 end_ARG start_ARG 2 end_ARG,” Physical Review Letters 129, 130501 (2022).
  3. T. Harty, D. Allcock, C. Ballance, L. Guidoni, H. Janacek, N. Linke, D. Stacey,  and D. Lucas, “High-fidelity preparation, gates, memory, and readout of a trapped-ion quantum bit,” Physical Review Letters 113, 220501 (2014).
  4. C. Ballance, T. Harty, N. Linke, M. Sepiol,  and D. Lucas, “High-fidelity quantum logic gates using trapped-ion hyperfine qubits,” Physical Review Letters 117, 060504 (2016).
  5. R. Srinivas, S. C. Burd, H. M. Knaack, R. T. Sutherland, A. Kwiatkowski, S. Glancy, E. Knill, D. J. Wineland, D. Leibfried, A. C. Wilson, D. T. C. Allcock,  and D. H. Slichter, “High-fidelity laser-free universal control of trapped ion qubits,” Nature 597, 209–213 (2021).
  6. C. R. Clark, H. N. Tinkey, B. C. Sawyer, A. M. Meier, K. A. Burkhardt, C. M. Seck, C. M. Shappert, N. D. Guise, C. E. Volin, S. D. Fallek, H. T. Hayden, W. G. Rellergert,  and K. R. Brown, “High-fidelity Bell-state preparation with 4040{}^{40}start_FLOATSUPERSCRIPT 40 end_FLOATSUPERSCRIPTCa+{}^{+}start_FLOATSUPERSCRIPT + end_FLOATSUPERSCRIPT optical qubits,” Phys. Rev. Lett. 127, 130505 (2021).
  7. C. Gidney and M. Ekerå, “How to factor 2048 bit RSA integers in 8 hours using 20 million noisy qubits,” Quantum 5, 433 (2021).
  8. Y. Alexeev, D. Bacon, K. R. Brown, R. Calderbank, L. D. Carr, F. T. Chong, B. DeMarco, D. Englund, E. Farhi, B. Fefferman, A. V. Gorshkov, A. Houck, J. Kim, S. Kimmel, M. Lange, S. Lloyd, M. D. Lukin, D. Maslov, P. Maunz, C. Monroe, J. Preskill, M. Roetteler, M. J. Savage,  and J. Thompson, “Quantum computer systems for scientific discovery,” PRX Quantum 2, 017001 (2021).
  9. C. Monroe and J. Kim, “Scaling the ion trap quantum processor,” Science 339, 1164–1169 (2013).
  10. M. Cetina, L. Egan, C. Noel, M. Goldman, D. Biswas, A. Risinger, D. Zhu,  and C. Monroe, “Control of transverse motion for quantum gates on individually addressed atomic qubits,” PRX Quantum 3, 010334 (2022).
  11. D. Kielpinski, C. Monroe,  and D. J. Wineland, “Architecture for a large-scale ion-trap quantum computer,” Nature 417, 709–711 (2002).
  12. J. M. Pino, J. M. Dreiling, C. Figgatt, J. P. Gaebler, S. A. Moses, M. S. Allman, C. H. Baldwin, M. Foss-Feig, D. Hayes, K. Mayer, C. Ryan-Anderson,  and B. Neyenhuis, “Demonstration of the trapped-ion quantum CCD computer architecture,” Nature 592, 209–213 (2021).
  13. S. A. Moses et al., “A race-track trapped-ion quantum processor,” Phys. Rev. X 13, 041052 (2023).
  14. C. Monroe, R. Raussendorf, A. Ruthven, K. R. Brown, P. Maunz, L.-M. Duan,  and J. Kim, “Large-scale modular quantum-computer architecture with atomic memory and photonic interconnects,” Phys. Rev. A 89, 022317 (2014).
  15. I. V. Inlek, C. Crocker, M. Lichtman, K. Sosnova,  and C. Monroe, “Multispecies trapped-ion node for quantum networking,” Physical Review Letters 118, 250502 (2017).
  16. L. Feng, Y.-Y. Huang, Y.-K. Wu, W.-X. Guo, J.-Y. Ma, H.-X. Yang, L. Zhang, Y. Wang, C.-X. Huang, C. Zhang, L. Yao, B.-X. Qi, Y.-F. Pu, Z.-C. Zhou,  and L.-M. Duan, “Realization of a crosstalk-avoided quantum network node using dual-type qubits of the same ion species,” Nature Communications 15, 204 (2024).
  17. L. Stephenson, D. Nadlinger, B. Nichol, S. An, P. Drmota, T. Ballance, K. Thirumalai, J. Goodwin, D. Lucas,  and C. Ballance, “High-rate, high-fidelity entanglement of qubits across an elementary quantum network,” Physical Review Letters 124, 110501 (2020).
  18. K. Wright et al., “Benchmarking an 11-qubit quantum computer,” Nature Communications 10, 5464 (2019).
  19. J. Schupp, V. Krcmarsky, V. Krutyanskiy, M. Meraner, T. Northup,  and B. Lanyon, “Interface between trapped-ion qubits and traveling photons with close-to-optimal efficiency,” PRX Quantum 2, 020331 (2021).
  20. M. Teller, D. A. Fioretto, P. C. Holz, P. Schindler, V. Messerer, K. Schüppert, Y. Zou, R. Blatt, J. Chiaverini, J. Sage,  and T. E. Northup, “Heating of a trapped ion induced by dielectric materials,” Physical Review Letters 126, 230505 (2021).
  21. R. Maiwald, A. Golla, M. Fischer, M. Bader, S. Heugel, B. Chalopin, M. Sondermann,  and G. Leuchs, “Collecting more than half the fluorescence photons from a single ion,” Phys. Rev. A 86, 043431 (2012).
  22. C.-K. Chou, C. Auchter, J. Lilieholm, K. Smith,  and B. Blinov, “Note: Single ion imaging and fluorescence collection with a parabolic mirror trap,” Review of Scientific Instruments 88, 086101 (2017).
  23. G. Araneda, G. Cerchiari, D. B. Higginbottom, P. C. Holz, K. Lakhmanskiy, P. Obšil, Y. Colombe,  and R. Blatt, “The Panopticon device: An integrated Paul-trap–hemispherical mirror system for quantum optics,” Review of Scientific Instruments 91, 113201 (2020).
  24. S. Gerber, D. Rotter, M. Hennrich, R. Blatt, F. Rohde, C. Schuck, M. Almendros, R. Gehr, F. Dubin,  and J. Eschner, “Quantum interference from remotely trapped ions,” New Journal of Physics 11, 013032 (2009).
  25. J. Béguelin, W. Noell, T. Scharf,  and R. Voelkel, “Tolerancing the surface form of aspheric microlenses manufactured by wafer-level optics techniques,” Appl. Opt. 59, 3910–3919 (2020).
  26. Ohara Corporation, “Ohara Glass Catalog,” Available online at http://www.oharacorp.com/catalog.html.
  27. D. Reens, M. Collins, J. Ciampi, D. Kharas, B. F. Aull, K. Donlon, C. D. Bruzewicz, B. Felton, J. Stuart, R. J. Niffenegger, P. Rich, D. Braje, K. K. Ryu, J. Chiaverini,  and R. McConnell, “High-fidelity ion state detection using trap-integrated avalanche photodiodes,” Physical Review Letters 129, 100502 (2022).
  28. C. Crocker, M. Lichtman, K. Sosnova, A. Carter, S. Scarano,  and C. Monroe, “High purity single photons entangled with an atomic qubit,” Optics Express 27, 28143–28149 (2019).
  29. L. Laughlin and J. M. Sasian, “Source modeling and calculation of mask illumination during extreme-ultraviolet lithography condenser design,” in International Optical Design Conference 2002, Vol. 4832 (SPIE, 2002) pp. 283–292.
  30. C. Robens, S. Brakhane, W. Alt, F. Kleißler, D. Meschede, G. Moon, G. Ramola,  and A. Alberti, “High numerical aperture (NA = 0.92) objective lens for imaging and addressing of cold atoms,” Optics Letters 42, 1043–1046 (2017).
  31. Corning, “Macor: Machinable glass ceramic for industrial applications,”  (2012), available online at https://www.corning.com/worldwide/en/products/advanced-optics/product-materials/specialty-glass-and-glass-ceramics/glass-ceramics/macor.html.
  32. P. Liebetraut, S. Petsch, J. Liebeskind,  and H. Zappe, “Elastomeric lenses with tunable astigmatism,” Light: Science & Applications 2, e98–e98 (2013).
  33. A. L. Carter, Design and construction of a three-node quantum network, Ph.D. thesis, University of Maryland, College Park (2021).
  34. J. D. Wong-Campos, K. G. Johnson, B. Neyenhuis, J. Mizrahi,  and C. Monroe, “High-resolution adaptive imaging of a single atom,” Nature Photonics 10, 606–610 (2016).
  35. P. L. W. Maunz, “High optical access trap 2.0.” Tech. Rep. SAND-2016-0796R (Sandia National Lab. (SNL-NM), Albuquerque, NM (United States), 2016).
  36. K. Sosnova, Mixed-species ion chains for quantum networks, Ph.D. thesis, University of Maryland, College Park (2020).
  37. X. Zhao, V. L. Ryjkov,  and H. A. Schuessler, “Parametric excitations of trapped ions in a linear rf ion trap,” Physical Review A 66, 063414 (2002).
  38. D. Wineland, C. Monroe, W. Itano, D. Leibfried, B. King,  and D. Meekhof, “Experimental issues in coherent quantum-state manipulation of trapped atomic ions,” Journal of Research of the National Institute of Standards and Technology 103, 259 (1998).
  39. M. R. Dietrich, N. Kurz, T. Noel, G. Shu,  and B. B. Blinov, “Hyperfine and optical barium ion qubits,” Phys. Rev. A 81, 052328 (2010).
  40. D. Yum, D. D. Munshi, T. Dutta,  and M. Mukherjee, “Optical barium ion qubit,” J. Opt. Soc. Am. B 34, 1632–1636 (2017).
  41. J. Keller, H. L. Partner, T. Burgermeister,  and T. E. Mehlstäubler, “Precise determination of micromotion for trapped-ion optical clocks,” Journal of Applied Physics 118 (2015), 10.1063/1.4930037.
  42. H. Häffner, C. Roos,  and R. Blatt, “Quantum computing with trapped ions,” Physics Reports 469, 155–203 (2008).
  43. M. Brownnutt, M. Kumph, P. Rabl,  and R. Blatt, “Ion-trap measurements of electric-field noise near surfaces,” Reviews of Modern Physics 87 (2015), 10.1103/RevModPhys.87.1419.
  44. B. E. King, C. S. Wood, C. J. Myatt, Q. A. Turchette, D. Leibfried, W. M. Itano, C. Monroe,  and D. J. Wineland, “Cooling the collective motion of trapped ions to initialize a quantum register,” Physical Review Letters 81, 1525–1528 (1998).
  45. S. L. Zhu, C. Monroe,  and L. M. Duan, “Trapped ion quantum computation with transverse phonon modes,” Physical Review Letters 97, 050505 (2006).
  46. E. Arenskötter, S. Kucera, O. Elshehy, M. Bergerhoff, M. Kreis, L. Brunel,  and J. Eschner, “Full Bell-basis measurement of an atom-photon 2-qubit state and its application for quantum networks,” arXiv:2301.06091 [quant-ph]  (2023).
  47. P. Drmota, D. Main, D. P. Nadlinger, B. C. Nichol, M. A. Weber, E. M. Ainley, A. Agrawal, R. Srinivas, G. Araneda, C. J. Ballance,  and D. M. Lucas, “Robust quantum memory in a trapped-ion quantum network Node,” Physical Review Letters 130, 090803 (2023).
  48. S. Santra, S. Muralidharan, M. Lichtman, L. Jiang, C. Monroe,  and V. S. Malinovsky, “Quantum repeaters based on two species trapped ions,” New Journal of Physics 21, 1–10 (2019).
Citations (7)
View on Semantic Scholar

Summary

We haven't generated a summary for this paper yet.

Ai Sparkles Streamline Icon: https://streamlinehq.com Summarize Now
X Twitter Logo Streamline Icon: https://streamlinehq.com

Tweets