Métodos experimentales para atrapar iones usando recientemente trampas de iones de la superficie

El objetivo general de este procedimiento es preparar y demostrar una configuración experimental para atrapar iones de iterbio que incluye un chip microfabricado. La tecnología de trampas de iones ha sido considerada como uno de los principales candidatos para la implementación física del procesamiento de información cuántica. Este procedimiento proporciona los protocolos detallados para la microfabricación de un chip atrapado, así como para la construcción de una configuración experimental, para atrapar iones, utilizando el chip trampa microfabricado.

Los sistemas de trampas de iones desarrollados por la tecnología de microfabricación proporcionan un gran potencial para el procesamiento de información cuántica y la computación cuántica. Y los protocolos presentados aquí, guiarán a través del proceso de fabricación y la configuración de experimentos con trampas de iones. La demostración visual de este método es fundamental porque requiere la orquestación de varios componentes, como láseres, sistemas de imágenes, una cámara de vacío, electrónica y microfabricación.

Para realizar el experimento, primero es necesario fabricar el chip atrapado en iones de superficie. Este es un ejemplo de un chip montado en un portador que se utiliza en esta demostración. Las características del chip están representadas en este esquema, hay una ranura de carga, a través de la cual se introducen átomos neutros.

A ambos lados de la ranura de carga, hay electrodos de radiofrecuencia para confinar los iones en direcciones perpendiculares a la ranura. Los voltajes de CC en los electrodos exteriores confinaron iones a lo largo de esta ranura. Los voltajes de CC en los electrodos internos ayudan a inclinar el eje principal del potencial total.

Para el experimento, monte el chip empaquetado en una cámara de ultra alto vacío. En este caso, el chip está en el centro de una cámara octogonal esférica. Los elementos del sistema de ultra alto vacío están representados en este resumen esquemático.

La bomba de iones y el captador no evaporativo, pueden alcanzar presiones inferiores a 3 x 10 hasta el 11º Torr. El octágono esférico incluye un horno recubierto con los átomos de iterbio. El octágono esférico está representado en el centro de este esquema de la configuración óptica final.

El chip microfabricado está en el centro del octágono. Los pasos permiten conexiones eléctricas a los electrodos de chip en el horno del octágono. Los elementos ópticos están dispuestos de manera que tres láseres de diodo producen haces que se superponen en la posición de atrapamiento.

Un puerto de visualización empotrado en el octágono esférico permite que una lente de imagen esté cerca de la superficie del chip. Visualice la superficie del chip con una cámara CCD multiplicadora de electrones. Conecte cables multicanal a un convertidor de digital a analógico.

Conecte el otro extremo de los cables multicanal a los pasamuros del octágono esférico. Además, realice la alimentación adecuada a través de conexiones a un resonador helicoidal. A continuación, trabaje con el resonador, un analizador de espectro y un acoplador direccional.

Conecte la salida del generador de RF a la salida del acoplador direccional. Luego conecte la entrada del resonador, con el puerto de entrada del acoplador direccional. Conecte el puerto de acoplamiento directo a la entrada de RF del analizador de espectro.

Termine el puerto de acoplamiento inverso, con una resistencia de 50 ohmios. Ahora, prepárese para ajustar la tapa del resonador helicoidal. Establezca la posición de la tapa del resonador helicoidal, luego escanee las frecuencias del generador para identificar la frecuencia a la que la reflexión es mínima.

Continúe afinando el resonador ajustando la posición de la tapa. Mientras tanto, monitoree el escaneo de frecuencia para encontrar la frecuencia del mínimo global de potencia reflejada. Al encontrar el mínimo global, bloquee la posición de la tapa del resonador.

Apague el generador de RF antes de continuar. Para continuar, tenga todos los láseres en su lugar, estabilizados y bloqueados por seguridad. Desbloquee el láser de 369,5 nanómetros y colime el haz.

El haz debe propagarse hacia el chip atrapado. Alinee el haz paralelo al chip y casi tocando su superficie. Utilice una tarjeta de haz, opuesta al punto de entrada de la viga para probar la alineación, alrededor del punto, indica que la viga no se refleja en ninguna superficie.

A continuación, monte una lente de enfoque en una etapa de traslación. Coloque la lente de modo que enfoque el haz cerca del potencial de atrapamiento, aún paralelo a la superficie del chip. Continúe trabajando con la óptica de imágenes.

Elija un objetivo de imagen de alta apertura numérica montado en una platina de traslación. Colóquelo frente a la ventana empotrada de las cámaras de ultra alto vacío. Esta es una vista esquemática de la configuración con la lente de imagen en su lugar.

A continuación, alinee el rayo láser, de modo que haya algo de dispersión desde la superficie del chip. Utilice una tarjeta de haz como antes para verificar que el haz esté parcialmente bloqueado. Continúe para colocar la tarjeta de haz cerca del plano de imagen de la lente de imagen.

Ajuste la posición de la lente de imagen con una etapa de traslación. La nueva posición debería permitir que la luz dispersa produzca una imagen nítida en la tarjeta de haz. Ahora, coloque un CCD multiplicador de electrones en la etapa de traslación en el plano de imagen de la lente.

Frente al CCD, coloque un filtro de paso de banda para bloquear la luz de fondo. Los electrodos deben ser visibles, utilizando el CCD y la configuración de la lente. A continuación, alinee el haz verticalmente para que pase a través del potencial de atrapamiento.

A continuación, controle el haz y muévalo hacia la superficie de la trampa. Suponga que la dispersión máxima del haz significa que el centro del haz está en la superficie del chip. Ahora, utilice la etapa de traslación de la lente para mover el haz a la altura esperada del potencial de atrapamiento.

Después de ese ajuste, mueva las etapas de traslación de la lente de imagen y el CCD hacia atrás la misma distancia y observe la posición. Esta es la vista esquemática del sistema en este punto. El haz pasa a través de la posición esperada de la trampa.

Continúe después de desbloquear los otros dos láseres y comience a alinearlos. Reemplace el filtro de paso de banda frente al CCD con un filtro de paso de banda de 399 nanómetros. A continuación, ajuste la lente de imagen y las posiciones del CCD para enfocar los electrodos en el CCD.

Alinee el haz colimado de 399 nanómetros para entrar en la cámara de vacío, propagándose en la dirección opuesta al haz de 369,5 nanómetros y superponerlo. Introduce un espejo y un espejo dicroico para combinar los dos haces y que se co-propaguen en la cámara. Para realizar pruebas, agregue temporalmente un espejo a la trayectoria del haz antes de la cámara y verifique la superposición del haz con un perfilador de haz.

Introduzca una lente de enfoque en una etapa de traslación en la trayectoria del haz entre el espejo dicroico y el espejo temporal. Utilice el perfilador de vigas para comprobar el enfoque de las dos vigas. En este caso, los dos láseres no están enfocados en el mismo punto como deberían.

Finalmente, alinee el láser de 935 nanómetros para que los láseres coincidan. Una vez hecho esto, retire el espejo temporal y asegúrese de que el haz de 399 nanómetros se pueda observar en el CCD. Alinee verticalmente la viga con la posición de trampa esperada y, a continuación, mueva la viga hacia la viruta.

Supervise la imagen CCD y asocie la intensidad máxima de la luz dispersa, con el haz centrado en la superficie del chip. A continuación, mueva el haz desde la superficie hasta la posición esperada de la trampa. A continuación, mueva la lente de imagen y el CCD hacia atrás la misma distancia.

A continuación, ajuste el láser de 399 nanómetros cerca de la transición de iterbio 174 adecuada. Monitoree la imagen CCD a medida que se enciende el horno con iterbio y se aumenta la corriente. Haga esto mientras barre el láser a través de la resonancia de iterbio, para identificar el inicio de la evaporación, observando la fluorescencia.

Anote el valor actual justo antes de la fluorescencia y apague el horno. Haga la preparación final para atrapar iones. Regrese al filtro de paso de banda en el CCD y reemplácelo con un filtro de paso de banda de 369,5 nanómetros.

Además, ajuste las posiciones del CCD y de la lente de imagen para el enfoque de 368,5 nanómetros. Ajuste los voltajes para el convertidor de digital a analógico que controla los electrodos. Luego vaya al generador de RF conectado al resonador helicoidal.

Encienda el generador a una configuración de potencia muy baja y aumente gradualmente la potencia de salida. En la computadora de control láser, ajuste las frecuencias del láser y la fuente de corriente del horno a sus valores apropiados. Después de unos minutos, bloquee brevemente el láser de 935 nanómetros durante uno o dos segundos para iniciar una prueba de atrapamiento.

Visualiza la trampa con el CCD. Si los iones quedan atrapados, la tasa de dispersión cae significativamente y la imagen se ve notablemente afectada. Bloquee el láser varias veces para comprobar que el bloqueo se correlaciona con los cambios en la imagen.

Una vez que los iones estén atrapados, apague el horno. Este compuesto de imágenes CCD que multiplican electrones, sugiere la ubicación de cinco iones de iterbio 174 1+ atrapados en un chip de trampa de iones microfabricado. El número de iones atrapados se puede variar cambiando los voltajes de CC aplicados.

En este video de iones atrapados, los iones están siendo manipulados variando los voltajes de CC de la trampa. En este video se presentaron los protocolos para fabricar trampas de iones de superficie y atrapar iones isótopos de iterbio 174. Este procedimiento puede extenderse fácilmente para atrapar iones de iterbio del isótopo 171 y manipular la etapa cúbica, avanzando en última instancia hacia el procesamiento de información cuántica y la computación cuántica.