Experimentelle Methoden für das Einfangen von Ionen mit Microfabricated Oberfläche Ionenfallen

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens besteht darin, einen experimentellen Aufbau zur Einsperrung von Ytterbium-Ionen, der einen mikrofabrizierten Chip umfasst, vorzubereiten und zu demonstrieren. Die Ionenfallentechnologie gilt als einer der führenden Kandidaten für die physikalische Umsetzung der Quanteninformationsverarbeitung. Dieses Verfahren liefert detaillierte Protokolle zur mikrofabrizierten Herstellung eines eingesperrten Chips sowie zum Aufbau eines experimentellen Aufbaus zur Einsperrung von Ionen mithilfe des mikrofabrizierten Fallen-Chips.

Ionensysteme, die mit der Mikrofertigungstechnologie entwickelt wurden, bieten ein großes Potenzial für die Quanteninformationsverarbeitung und das Quantencomputing. Die hier vorgestellten Protokolle leiten durch den Herstellungsprozess und den Aufbau von Ionenspexperimenten. Eine visuelle Demonstration dieser Methode ist entscheidend, da sie die Koordination verschiedener Komponenten wie Laser, Abbildungssysteme, eine Vakuumkammer, Elektronik und Mikrofertigung erfordert.

Um das Experiment durchzuführen, muss zunächst der Oberflächen-Ionenfalle-Chip hergestellt werden. Dies ist ein Beispiel für einen Chip, der in einem Träger montiert ist und in dieser Demonstration verwendet wird. Die Merkmale des Chips sind in diesem Schema dargestellt: Es gibt einen Ladeschlitz, durch den neutrale Atome eingeführt werden.

Auf beiden Seiten des Ladeplatzes befinden sich Hochfrequenzelektroden, die Ionen in Richtungen senkrecht zum Schlitz einschließen. Gleichspannungen an den äußeren Elektroden halten die Ionen entlang dieses Schlitzes fest. Gleichspannungen an den inneren Elektroden helfen dabei, die Hauptachse des Gesamtpotentials zu neigen.

Montieren Sie für das Experiment den verpackten Chip in einer ultrahochvakuumtauglichen Kammer. In diesem Fall befindet sich der Chip im Zentrum einer sphärischen Oktagonkammer. Die Bestandteile des Ultrahochvakuumsystems sind in dieser schematischen Übersicht dargestellt.

Die Ionenpumpe und der nichtverdampfende Getter können Drücke unterhalb von 3 x 10⁻¹¹ Torr erreichen. Das sphärische Achteck enthält einen Ofen, der mit Ytterbiumatomen gefüllt ist. Das sphärische Achteck ist in der Mitte dieses Schemas des endgültigen optischen Aufbaus dargestellt.

Der mikrofabrizierte Chip befindet sich in der Mitte des Achtecks. Durchführungen ermöglichen elektrische Anschlüsse zu den Chip-Elektroden im Ofen des Achtecks. Die optischen Elemente sind so angeordnet, dass drei Diodenlaser Strahlen erzeugen, die sich an der Fangposition überlappen.

Ein versenkter Sichtbereich im sphärischen Achteck ermöglicht es, ein Abbildungsobjektiv nahe an der Oberfläche des Chips zu positionieren. Bilden Sie die Oberfläche des Chips mit einer elektronenvervielfachenden CCD-Kamera ab. Schließen Sie Mehrkanalkabel an einen Digital-Analog-Wandler an.

Verbinden Sie das andere Ende der Multikanalkabel mit den Durchführungen des sphärischen Achtecks. Stellen Sie zusätzlich die entsprechenden Verbindungen der Durchführungen zu einem helikalen Resonator her. Arbeiten Sie anschließend mit dem Resonator, einem Spektrumanalysator und einem Richtkoppler.

Verbinden Sie den Ausgang des HF-Generators mit dem Ausgang des Richtkopplers. Verbinden Sie anschließend den Eingang des Resonators mit dem Eingangsport des Richtkopplers. Schließen Sie den vorwärtsgekoppelten Port an den HF-Eingang des Spektrumanalysators an.

Beenden Sie den umgekehrten gekoppelten Port mit einem 50-Ohm-Widerstand. Bereiten Sie nun die Justierung der Helixresonator-Kappe vor. Stellen Sie die Position der Helixresonator-Kappe ein und scannen Sie anschließend die Frequenzen des Generators, um die Frequenz zu ermitteln, bei der die Reflexion minimal ist.

Stellen Sie den Resonator weiter ein, indem Sie die Position der Kappe anpassen. Überwachen Sie gleichzeitig die Frequenzabtastung, um die Frequenz des globalen Minimums der reflektierten Leistung zu finden. Sobald das globale Minimum gefunden ist, fixieren Sie die Position der Resonatorkappe.

Schalten Sie den HF-Generator aus, bevor Sie fortfahren. Stellen Sie sicher, dass alle Laser angebracht, stabilisiert und aus Sicherheitsgründen verdeckt sind, um fortzufahren. Entfernen Sie die Abschirmung des 369,5-Nanometer-Lasers und kollimieren Sie den Strahl.

Der Strahl sollte sich in Richtung des eingefangenen Chips ausbreiten. Richten Sie den Strahl parallel zum Chip aus, sodass er fast seine Oberfläche berührt. Verwenden Sie eine Strahlkarte gegenüber dem Eintrittspunkt des Strahls, um die Ausrichtung zu überprüfen; ein scharfer Fleck zeigt an, dass der Strahl an keiner Oberfläche reflektiert wird.

Als Nächstes montieren Sie eine Fokussierlinse auf einer Translationsstufe. Platzieren Sie die Linse so, dass der Strahl nahe dem Fangpotential fokussiert wird, jedoch weiterhin parallel zur Chipoberfläche verläuft. Fahren Sie anschließend mit der Arbeit an der Abbildungsoptik fort.

Wählen Sie ein Objektiv mit hoher numerischer Apertur, das auf einer Translationsstufe montiert ist. Platzieren Sie dieses vor dem in die Ultrahochvakuumkammer eingelassenen Fenster. Dies ist eine schematische Darstellung des Aufbaus mit dem eingesetzten Abbildungsobjektiv.

Als Nächstes richten Sie den Laserstrahl aus, sodass Streuung von der Chipoberfläche auftritt. Verwenden Sie wie zuvor eine Strahlkarte, um zu überprüfen, ob der Strahl teilweise blockiert wird. Bringen Sie danach die Strahlkarte nahe der Bildebene der Abbildungsoptik an.

Stellen Sie die Position der Abbildungsoptik mit einem Translationsstadium ein. Die neue Position sollte es dem gestreuten Licht ermöglichen, ein scharfes Bild auf der Strahlkarte zu erzeugen. Platzieren Sie nun eine elektronenvervielfachende CCD-Kamera auf dem Translationsstadium in der Bildebene der Optik.

Platzieren Sie vor der CCD-Kamera einen Bandpassfilter, um Hintergrundlicht zu blockieren. Mithilfe der CCD-Kamera und des Objektivs sollten die Elektroden sichtbar sein. Richten Sie anschließend den Strahl vertikal aus, sodass er durch das Fangpotential verläuft.

Überwachen Sie dann den Strahl und bewegen Sie ihn in Richtung der Fangoberfläche. Gehen Sie von einer maximalen Strahlstreuung aus, was bedeutet, dass sich das Strahlzentrum auf der Chipoberfläche befindet. Bewegen Sie nun mithilfe des Linsen-Translationsstages den Strahl auf die erwartete Höhe des Fangpotentials.

Nach dieser Einstellung bewegen Sie die Translationsstufen des Abbildungsobjektivs und der CCD um dieselbe Distanz zurück und notieren Sie die Position. Dies ist die schematische Ansicht des Systems zu diesem Zeitpunkt. Der Strahl durchläuft die erwartete Falleposition.

Setzen Sie den Vorgang fort, nachdem Sie die beiden anderen Laser freigegeben und ausgerichtet haben. Ersetzen Sie den Bandpassfilter vor der CCD durch einen 399 Nanometer Bandpassfilter. Anschließend justieren Sie die Position der Abbildungsoptik und der CCD, um die Elektroden auf der CCD scharf zu stellen.

Richten Sie den kollimierten Strahl von 399 Nanometer so aus, dass er in die Vakuumkammer eintritt, entgegengesetzt zum Strahl von 369,5 Nanometer verläuft und sich mit diesem überlappt. Bringen Sie einen Spiegel und einen dichroischen Spiegel an, um die beiden Strahlen zu kombinieren, sodass sie im Inneren der Kammer ko-propagieren. Zum Testen fügen Sie vorübergehend einen Spiegel in den Strahlengang vor der Kammer ein und überprüfen Sie die Überlappung der Strahlen mit einem Strahlprofilierer.

Bringen Sie eine Fokussierlinse auf einer Translationsstufe in den Strahlengang zwischen dem Dichroik und den temporären Spiegeln an. Überprüfen Sie mithilfe des Strahlprofils den Fokus der beiden Strahlen. In diesem Fall werden die beiden Laser nicht an demselben Punkt fokussiert, wie es vorgesehen ist.

Schließlich richten Sie den 935-Nanometer-Laser aus, um die Laser zur Deckung zu bringen. Sobald dies erfolgt ist, entfernen Sie den temporären Spiegel und vergewissern Sie sich, dass der 399-Nanometer-Strahl auf der CCD beobachtet werden kann. Richten Sie den Strahl vertikal mit der erwarteten Fallenposition aus und bewegen Sie anschließend den Strahl in Richtung des Chips.

Überwachen Sie das CCD-Bild und korrelieren Sie die maximale Intensität des gestreuten Lichts damit, dass der Strahl mittig auf der Chipoberfläche zentriert ist. Bewegen Sie anschließend den Strahl von der Oberfläche in die erwartete Position der Falle. Danach verschieben Sie das Abbildungsobjektiv und das CCD um dieselbe Distanz zurück.

Danach stellen Sie den 399 Nanometer Laser nahe der geeigneten Ytterbium-174-Übergangsstelle ein. Überwachen Sie das CCD-Bild, während der Ofen mit Ytterbium eingeschaltet wird und der Strom erhöht wird. Tun Sie dies, während Sie den Laser durch die Ytterbium-Resonanz fegen, um den Beginn der Verdampfung durch Beobachtung der Fluoreszenz zu identifizieren.

Notieren Sie den aktuellen Wert kurz vor der Fluoreszenz und schalten Sie den Ofen aus. Bereiten Sie die endgültige Ioneneinfangung vor. Gehen Sie zum Bandpassfilter an der CCD-Kamera zurück und ersetzen Sie ihn durch einen 369,5-Nanometer-Bandpassfilter.

Stellen Sie außerdem die Positionen des CCD und des Abbildungsobjektivs für den Fokus bei 368,5 Nanometer ein. Legen Sie die Spannungen für den Digital-Analog-Wandler fest, der die Elektroden steuert. Gehen Sie dann zum HF-Generator, der mit dem helikalen Resonator verbunden ist.

Schalten Sie den Generator bei einer sehr niedrigen Leistungseinstellung ein und erhöhen Sie die Ausgangsleistung schrittweise. Stellen Sie am Laser-Steuerungscomputer die Laserfrequenzen und die Ofenstromquelle auf die entsprechenden Werte ein. Blockieren Sie nach einigen Minuten den 935 Nanometer Laser kurzzeitig für ein bis zwei Sekunden, um einen Fangtest zu starten.

Beobachten Sie die Falle mit der CCD. Wenn Ionen eingefangen sind, sinkt die Streurate deutlich und das Bild ist merklich beeinträchtigt. Blockieren Sie den Laser mehrmals, um zu überprüfen, ob die Blockierung mit Bildveränderungen korreliert.

Nachdem die Ionen eingefangen sind, schalten Sie den Ofen aus. Diese Zusammensetzung von Elektronenvervielfachungs-CCD-Bildern zeigt die Position von fünf gefangenen Ytterbium-174-Ionen (1+) in einem mikrofabrizierten Ionenfallen-Chip. Die Anzahl der gefangenen Ionen kann durch Änderung der angelegten Gleichspannungen variiert werden.

In diesem Video mit gefangenen Ionen werden die Ionen durch Variation der DC-Spannungen der Falle manipuliert. Die Protokolle zur Herstellung von Oberflächen-Ionenfallen und zum Einfangen von Ytterbium-174-Isotopen-Ionen wurden in diesem Video vorgestellt. Dieses Verfahren kann leicht erweitert werden, um Ytterbium-Ionen des Isotops 171 zu fangen und eine kubische Stufe zu manipulieren, wodurch letztendlich die Verarbeitung quantenmechanischer Informationen und Quantencomputing ermöglicht werden.