Experimentelle Methoden für das Einfangen von Ionen mit Microfabricated Oberfläche Ionenfallen

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens ist es, einen Versuchsaufbau zum Einfangen von Ytterbium-Ionen vorzubereiten und zu demonstrieren, der einen mikrofabrizierten Chip umfasst. Die Ionenfallen-Technologie gilt als einer der führenden Kandidaten für die physikalische Implementierung der Quanteninformationsverarbeitung. Dieses Verfahren liefert die detaillierten Protokolle für die Mikrofabrikation eines gefangenen Chips sowie für den Aufbau eines Versuchsaufbaus zum Einfangen von Ionen unter Verwendung des mikrofabrizierten Fallenchips.

Ionenfallensysteme, die mit der Mikrofabrikationstechnologie entwickelt wurden, bieten ein großes Potenzial für die Quanteninformationsverarbeitung und das Quantencomputing. Und die hier vorgestellten Protokolle werden durch den Herstellungsprozess und die Einrichtung von Ionenfallen-Experimenten führen. Die visuelle Demonstration dieser Methode ist von entscheidender Bedeutung, da sie die Orchestrierung verschiedener Komponenten wie Laser, Bildgebungssysteme, einer Vakuumkammer, Elektronik und Mikrofabrikation erfordert.

Um das Experiment durchzuführen, muss man zunächst den mit Oberflächenionen gefangenen Chip herstellen. Dies ist ein Beispiel für einen Chip, der in einem Träger montiert ist, der in dieser Demonstration verwendet wird. Die Eigenschaften des Chips sind in diesem Schaltplan dargestellt, es gibt einen Ladeschlitz, durch den neutrale Atome eingeführt werden.

Auf beiden Seiten des Ladeschlitzes befinden sich Hochfrequenzelektroden, um Ionen in Richtungen senkrecht zum Schlitz einzuschließen. Gleichspannungen an den äußeren Elektroden schlossen Ionen entlang dieses Schlitzes ein. Gleichspannungen an den inneren Elektroden helfen, die Hauptachse des Gesamtpotentials zu kippen.

Montieren Sie für das Experiment den verpackten Chip in einer Ultrahochvakuumkammer. In diesem Fall befindet sich der Chip im Zentrum einer kugelförmigen achteckigen Kammer. Die Elemente des Ultrahochvakuumsystems sind in dieser schematischen Übersicht dargestellt.

Die Ionenpumpe und der nicht-verdampfende Getter können Drücke unter 3 x 10 bis zum 11. Torr erreichen. Das kugelförmige Achteck besteht aus einem Ofen, der mit den Ytterbium-Atomen bestückt 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 Verbindungen zu den Chipelektroden im Ofen des Achtecks. Die optischen Elemente sind so angeordnet, dass drei Diodenlaser Strahlen erzeugen, die sich an der Fangposition überlappen.

Ein vertieftes Sichtfenster im sphärischen Achteck ermöglicht es, dass sich ein Bildobjektiv nahe an der Oberfläche des Chips befindet. Bilden Sie die Oberfläche des Chips mit einer elektronenvermehrenden CCD-Kamera ab. Schließen Sie Mehrkanalkabel an einen Digital-Analog-Wandler an.

Verbinden Sie das andere Ende der Mehrkanalkabel mit den Durchführungen des kugelförmigen Achtecks. Stellen Sie außerdem die entsprechenden Durchführungsverbindungen zu einem spiralförmigen Resonator her. Als nächstes arbeiten Sie mit dem Resonator, einem Spektrumanalysator und einem Richtkoppler.

Verbinden Sie den Ausgang des HF-Generators mit dem Ausgang des Richtkopplers. Verbinden Sie dann den Eingang des Resonators mit dem Eingang des Richtkopplers. Verbinden Sie den vorwärts gekoppelten Port mit dem HF-Eingang des Spektrumanalysators.

Beenden Sie den Sperranschluss mit einem 50-Ohm-Widerstand. Bereiten Sie sich nun darauf vor, die schraubenförmige Resonatorkappe einzustellen. Legen Sie die Position der spiralförmigen Resonatorkappe fest und scannen Sie dann die Frequenzen des Generators, um die Frequenz zu identifizieren, bei der die Reflexion minimal ist.

Fahren Sie mit dem Stimmen des Resonators fort, indem Sie die Position der Kappe anpassen. Überwachen Sie in der Zwischenzeit den Frequenzscan, um die Frequenz des globalen Minimums der reflektierten Leistung zu ermitteln. Wenn Sie das globale Minimum gefunden haben, sperren Sie die Position der Resonatorkappe.

Schalten Sie den HF-Generator aus, bevor Sie fortfahren. Um fortzufahren, lassen Sie alle Laser an Ort und Stelle, stabilisiert und aus Sicherheitsgründen blockieren. Lösen Sie die Blockierung des 369,5-Nanometer-Lasers und kollimieren Sie den Strahl.

Der Strahl sollte sich in Richtung des gefangenen Chips ausbreiten. Richten Sie den Strahl parallel zum Chip aus und berühren Sie fast dessen Oberfläche. Verwenden Sie eine Balkenkarte gegenüber dem Balkeneintrittspunkt, um die Ausrichtung um den Punkt herum zu testen, was bedeutet, dass der Balken nicht von einer Oberfläche reflektiert wird.

Montieren Sie als Nächstes eine Fokussierlinse auf einem Translationstisch. Platzieren Sie die Linse so, dass der Strahl in der Nähe des Fangpotentials fokussiert wird, immer noch parallel zur Chipoberfläche. Fahren Sie mit der Arbeit mit der Abbildungsoptik fort.

Wählen Sie ein Bildgebungsobjektiv mit hoher numerischer Apertur, das auf einem Translationstisch montiert ist. Platzieren Sie dieses vor dem versenkten Fenster der Ultrahochvakuumkammer. Dies ist eine schematische Ansicht des Aufbaus mit aufgesetztem Bildobjektiv.

Richten Sie als Nächstes den Laserstrahl so aus, dass eine gewisse Streuung von der Chipoberfläche auftritt. Verwenden Sie wie zuvor eine Strahlkarte, um zu überprüfen, ob der Strahl teilweise blockiert ist. Fahren Sie fort, um die Strahlkarte in der Nähe der Bildebene des Bildobjektivs zu platzieren.

Passen Sie die Position des Bildobjektivs mit einem Verschiebungstisch an. Die neue Position sollte es dem Streulicht ermöglichen, ein scharfes Bild auf der Beam-Karte zu erzeugen. Platzieren Sie nun einen elektronenmultiplizierenden CCD auf dem Translationstisch in der Abbildungsebene des Objektivs.

Platzieren Sie vor dem CCD einen Bandpassfilter, um das Hintergrundlicht zu blockieren. Die Elektroden sollten mit dem CCD und der Linse sichtbar sein. Richten Sie dann den Balken vertikal aus, sodass er das Einklemmpotential durchläuft.

Überwachen Sie dann den Strahl und bewegen Sie ihn in Richtung der Fallenoberfläche. Nehmen Sie die maximale Strahlstreuung an, d. h. das Strahlzentrum befindet sich auf der Chipoberfläche. Verwenden Sie nun den Linsenübersetzungstisch, um den Strahl auf die erwartete Höhe des Einklemmpotentials zu bewegen.

Verschieben Sie nach dieser Einstellung die Translationsstufen des Bildobjektivs und des CCD um den gleichen Abstand zurück und notieren Sie sich die Position. Dies ist die schematische Ansicht des Systems an dieser Stelle. Der Balken durchläuft die erwartete Fallenposition.

Fahre fort, nachdem du die Blockierung der anderen beiden Laser gelöst hast, und beginne mit dem Ausrichten. Ersetzen Sie den Bandpassfilter vor dem CCD durch einen 399-Nanometer-Bandpassfilter. Passen Sie dann die Positionen des Bildgebungsobjektivs und des CCD an, um die Elektroden auf dem CCD scharf zu stellen.

Richten Sie den kollimierten 399-Nanometer-Strahl so aus, dass er in die Vakuumkammer eintritt und sich in entgegengesetzter Richtung zum 369,5-Nanometer-Strahl ausbreitet und ihn überlappt. Führen Sie einen Spiegel und einen dichroitischen Spiegel ein, um die beiden Strahlen so zu kombinieren, dass sie sich in der Kammer gemeinsam ausbreiten. Fügen Sie zu Testzwecken vorübergehend einen Spiegel zum Strahlengang vor der Kammer hinzu und überprüfen Sie die Strahlüberlappung mit einem Strahlprofiler.

Führen Sie eine Fokussierlinse auf einem Translationstisch im Strahlengang zwischen dem dichroitischen und dem temporären Spiegel ein. Verwenden Sie den Balkenprofiler, um den Fokus der beiden Strahlen zu überprüfen. In diesem Fall werden die beiden Laser nicht an der gleichen Stelle fokussiert, wie sie sein sollten.

Richten Sie schließlich den 935-Nanometer-Laser so aus, dass die Laser zusammenfallen. Sobald dies erledigt ist, entfernen Sie den temporären Spiegel und stellen Sie sicher, dass der 399-Nanometer-Strahl im CCD beobachtet werden kann. Richten Sie den Strahl vertikal an der erwarteten Trap-Position aus und bewegen Sie ihn dann in Richtung des Chips.

Überwachen Sie das CCD-Bild und ordnen Sie die maximale Intensität des Streulichts zu, wobei der Strahl auf der Chipoberfläche zentriert ist. Bewegen Sie dann den Strahl von der Oberfläche in die erwartete Position der Falle. Bewegen Sie anschließend das Objektiv und den CCD in gleicher Entfernung zurück.

Setzen Sie dann den 399-Nanometer-Laser in die Nähe des entsprechenden Ytterbium-174-Übergangs. Überwachen Sie das CCD-Bild, während der Ofen mit Ytterbium eingeschaltet und der Strom erhöht wird. Tun Sie dies, während Sie den Laser durch die Ytterbiumresonanz streichen, um den Beginn der Verdampfung durch Beobachtung der Fluoreszenz zu identifizieren.

Notieren Sie sich den aktuellen Wert kurz vor der Fluoreszenz und schalten Sie den Ofen aus. Bereiten Sie die letzten Vorbereitungen für das Einfangen von Ionen vor. Setzen Sie den Bandpassfilter am CCD wieder ein und ersetzen Sie ihn durch einen 369,5-Nanometer-Bandpassfilter.

Passen Sie außerdem die Position des CCD und des Bildobjektivs für den Fokus von 368,5 Nanometern an. Stellen Sie die Spannungen für den Digital-Analog-Wandler ein, der die Elektroden steuert. Gehen Sie dann zu dem HF-Generator, der an den helikalen Resonator angeschlossen ist.

Schalten Sie den Generator bei sehr niedriger Leistung ein und erhöhen Sie die Ausgangsleistung allmählich. Stellen Sie am Lasersteuerungscomputer die Laserfrequenzen und die Ofenstromquelle auf die entsprechenden Werte ein. Blockieren Sie nach einigen Minuten den 935-Nanometer-Laser kurz für ein bis zwei Sekunden, um einen Test auf Trapping zu starten.

Betrachten Sie die Falle mit dem CCD. Werden Ionen gefangen, sinkt die Streurate deutlich ab und das Bild wird spürbar beeinträchtigt. Blockieren Sie den Laser einige Male, um zu überprüfen, ob die Blockierung mit Bildveränderungen korreliert.

Sobald die Ionen eingefangen sind, schalten Sie den Ofen aus. Dieses Komposit aus elektronenmultiplizierenden CCD-Bildern deutet auf die Position von fünf Ytterbium-174-1+-Ionen hin, die in einem mikrofabrizierten Ionenfallen-Chip gefangen sind. Die Anzahl der gefangenen Ionen kann durch Ändern der angelegten Gleichspannungen variiert werden.

In diesem Video von gefangenen Ionen werden die Ionen manipuliert, indem die Gleichspannungen der Falle variiert werden. In diesem Video wurden die Protokolle zur Herstellung von Oberflächenionenfallen und zum Einfangen von Ytterbium-174-Isotopenionen vorgestellt. Dieses Verfahren kann leicht erweitert werden, um Ytterbium-Ionen des Isotops 171 einzufangen und die kubische Stufe zu manipulieren, um schließlich in Richtung Quanteninformationsverarbeitung und Quantencomputing zu gelangen.