Захваченные ионы (ионные ловушки) — одна из ведущих платформ для квантовых вычислений, симуляторов квантовых систем и прецизионных оптических атомных часов.
28 апреля 2026
В рамках данной работы впервые разработаны и экспериментально продемонстрированы ключевые поляризационно-разнообразные интегрированные фотонические устройства, которые позволяют реализовать различные варианты систем поляризационно-градиентного охлаждения (Polarization-Gradient Cooling, PGC) полностью на чипе.
Ранее интегральная фотоника позволяла реализовывать только доплеровское и разрешенно-стороннее охлаждение, имеющие фундаментальные ограничения по скорости и достижимой температуре. PGC же использует пространственно варьирующийся градиент поляризации лазерного света, что приводит к преференциальному рассеянию фотонов и позволяет достигать суб-доплеровских температур быстрее, эффективнее и с меньшей мощностью — особенно полезно в многоионных системах с несколькими не вырожденными модами.
Авторы использовали платформу видимого диапазона на основе волноводов Al₂O₃/SiN (двухслойный SiN толщиной 100нм и верхний слой Al₂O₃), разработанную в MIT Lincoln Laboratory. Поверх фотонических слоёв сформированы металлические электроды для поверхностной ионной ловушки, удерживающей ионы на высоте около 50 мкм.
Были созданы решётчатые излучатели (grating couplers) с TE- и TM-поляризацией на длине волны 422 нм (соответствует переходу S₁/₂ → P₁/₂ в ионах ⁸⁸Sr⁺).
Рассмотрены три основные архитектуры: TE-TE (два ортогональных TE-излучателя), TM-TM и TE-TM (противоположно расположенные). Эти конфигурации формируют как стабильные, так и бегущие поляризационные градиенты.
Эффективность излучения решёток достигает примерно 18 %, размер оптического пятна в области иона — 7–9 мкм. Свет подводится через инверсные тейперы и комбинацию волноводов разной ширины с вертикальными переходами между слоями. Стабильность градиента поляризации исключительно высока — дрейф менее 10 нм в час, что критично для длительных квантовых операций.
Ключевой экспериментальный результат — первое в мире охлаждение захваченного иона с помощью полностью интегрированной фотонической системы PGC: аксиальная мода частотой 1,2 МГц охлаждена до среднего квантового числа колебаний ⟨n⟩ = 2,33 ± 0,18 (значительно ниже доплеровского предела) всего за ~100 микросекунд. Работа также закладывает основу для поляризационно-разнообразных устройств в интегральной фотонике для ионных платформ.
Преимущества и применения: технология радикально уменьшает размер системы, повышает устойчивость к внешним воздействиям и открывает путь к полностью чиповым квантовым процессорам. Перспективы включают гибридное охлаждение (комбинация PGC с EIT), создание многоионных зон, интеграцию с другими квантовыми операциями и масштабируемые квантовые сети. Ограничения на текущем этапе — необходимость оптической накачки и дальнейшая интеграция с электрическим управлением.
Авторы: Sabrina M. Corsetti и др. (Massachusetts Institute of Technology — MIT, США; MIT Lincoln Laboratory).
Журнал: Light: Science & Applications, 15 января 2026.