Méthodes expérimentales de piégeage d’Ions à l’aide de microfabriques pièges à ions de Surface

L’objectif général de cette procédure est de préparer et de démontrer un dispositif expérimental de piégeage des ions ytterbium qui comprend une puce microfabriquée. La technologie des pièges à ions a été considérée comme l’un des principaux candidats pour la mise en œuvre physique du traitement de l’information quantique. Cette procédure fournit les protocoles détaillés pour la micro-fabrication d’une puce piégée ainsi que, pour la construction d’un dispositif expérimental, pour piéger les ions, à l’aide de la puce piège micro-fabriquée.

Les systèmes de pièges à ions développés par la technologie de micro-fabrication offrent un grand potentiel pour le traitement de l’information quantique et l’informatique quantique. Et les protocoles présentés ici guideront tout au long du processus de fabrication et de la mise en place d’expériences de piège à ions. La démonstration visuelle de cette méthode est essentielle car elle nécessite l’orchestration de divers composants tels que des lasers, des systèmes d’imagerie, une chambre à vide, de l’électronique et de la microfabrication.

Pour réaliser l’expérience, il faut d’abord fabriquer la puce piégée en ions de surface. Voici un exemple de puce montée dans un support qui est utilisé dans cette démonstration. Les caractéristiques de la puce sont représentées dans ce schéma, il y a une fente de chargement, à travers laquelle les atomes neutres sont introduits.

De chaque côté de la fente de chargement, il y a des électrodes de radiofréquence pour confiner les ions dans des directions perpendiculaires à la fente. Les tensions continues sur les électrodes extérieures confinent les ions le long de cette fente. Les tensions continues sur les électrodes internes aident à incliner l’axe principal du potentiel total.

Pour l’expérience, montez la puce emballée dans une chambre à ultravide poussé. Dans ce cas, la puce se trouve au centre d’une chambre octogonale sphérique. Les éléments du système d’ultravide poussé sont représentés dans cet aperçu schématique.

La pompe ionique et l’émetteur non évaporatif peuvent atteindre des pressions inférieures à 3 x 10 au 11ème Torr. L’octogone sphérique comprend un four labouré avec les atomes d’ytterbium. L’octogone sphérique est représenté au centre de ce schéma de l’ensemble optique final.

La puce micro-fabriquée se trouve au centre de l’octogone. Les traversées permettent des connexions électriques aux électrodes de la puce dans le four de l’octogone. Les éléments optiques sont disposés de manière à ce que trois lasers à diodes produisent des faisceaux qui se chevauchent à la position de piégeage.

Un hublot encastré dans l’octogone sphérique permet à un objectif d’imagerie d’être proche de la surface de la puce. Imagez la surface de la puce avec une caméra CCD multiplicatrice d’électrons. Connectez des câbles multicanaux à un convertisseur numérique-analogique.

Connectez l’autre extrémité des câbles multicanaux aux traversées de l’octogone sphérique. De plus, faites les connexions d’alimentation appropriées à un résonateur hélicoïdal. Ensuite, travaillez avec le résonateur, un analyseur de spectre et un coupleur directionnel.

Connectez la sortie du générateur RF à la sortie du coupleur directionnel. Connectez ensuite l’entrée du résonateur, avec le port d’entrée du coupleur directionnel. Connectez le port couplé vers l’avant à l’entrée RF de l’analyseur de spectre.

Terminez le port à couplage inverse, avec une résistance de 50 ohms. Maintenant, préparez-vous à ajuster le capuchon du résonateur hélicoïdal. Réglez la position du capuchon du résonateur hélicoïdal, puis balayez les fréquences du générateur, pour identifier la fréquence à laquelle la réflexion est minimale.

Continuez à régler le résonateur en ajustant la position du capuchon. Pendant ce temps, surveillez le balayage de fréquence pour trouver la fréquence du minimum global de puissance réfléchie. Lorsque vous trouvez le minimum global, verrouillez la position du capuchon du résonateur.

Éteignez le générateur RF avant de continuer. Pour continuer, ayez tous les lasers en place, stabilisés et bloqués pour plus de sécurité. Débloquez le laser de 369,5 nanomètres et collimatez le faisceau.

Le faisceau doit se propager vers la puce piégée. Alignez le faisceau parallèlement à la puce et touchant presque sa surface. Utilisez une carte de faisceau, à l’opposé du point d’entrée du faisceau pour tester l’alignement, autour du point, indique que le faisceau ne se reflète sur aucune surface.

Ensuite, montez un objectif de mise au point sur une platine de translation. Placez la lentille de manière à focaliser le faisceau près du potentiel de piégeage, toujours parallèle à la surface de la puce. Passez à l’utilisation de l’optique d’imagerie.

Choisissez un objectif d’imagerie à grande ouverture numérique monté sur une platine de translation. Placez-le devant la fenêtre encastrée des chambres à ultra vide poussé. Il s’agit d’une vue schématique de l’installation avec l’objectif d’imagerie en place.

Ensuite, alignez le faisceau laser, de sorte qu’il y ait une certaine diffusion à partir de la surface de la puce. Utilisez une carte de poutre comme précédemment pour vérifier que le faisceau est partiellement bloqué. Placez la carte de faisceau près du plan d’image de l’objectif d’image.

Ajustez la position de l’objectif d’imagerie à l’aide d’une platine de translation. La nouvelle position doit permettre à la lumière diffusée de produire une image nette sur la carte de faisceau. Maintenant, placez un CCD multiplicateur d’électrons sur la platine de translation dans le plan d’imagerie de la lentille.

Devant le CCD, placez un filtre passe-bande pour bloquer la lumière de fond. Les électrodes doivent être visibles, à l’aide du CCD et de la lentille configurés. Ensuite, alignez le faisceau verticalement pour qu’il passe à travers le potentiel de piégeage.

Ensuite, surveillez le faisceau et déplacez-le vers la surface du piège. Supposons une diffusion maximale du faisceau, ce qui signifie que le centre du faisceau se trouve à la surface de la puce. Maintenant, utilisez l’étage de translation de l’objectif pour déplacer le faisceau à la hauteur attendue du potentiel de piégeage.

Après ce réglage, reculez les étapes de translation de l’objectif d’imagerie et du CCD de la même distance et notez la position. Il s’agit de la vue schématique du système à ce stade. Le faisceau passe à travers la position de piège prévue.

Continuez après avoir débloqué les deux autres lasers et commencez à les aligner. Remplacez le filtre passe-bande devant le CCD, par un filtre passe-bande de 399 nanomètres. Ajustez ensuite la lentille d’imagerie et les positions du CCD pour faire la mise au point sur les électrodes sur le CCD.

Alignez le faisceau collimaté de 399 nanomètres, pour entrer dans la chambre à vide, se propageant dans la direction opposée au faisceau de 369,5 nanomètres et pour le chevaucher. Introduisez un miroir et un miroir dichroïque pour combiner les deux faisceaux afin qu’ils se propagent conjointement dans la chambre. Pour les tests, ajoutez temporairement un miroir à la trajectoire du faisceau avant la chambre et vérifiez le chevauchement des faisceaux avec un profileur de faisceau.

Introduire une lentille de focalisation sur un étage de translation dans le trajet du faisceau entre le miroir dichroïque et le miroir temporaire. Utilisez le profileur de faisceau pour vérifier la mise au point des deux faisceaux. Dans ce cas, les deux lasers ne sont pas focalisés au même point qu’ils devraient l’être.

Enfin, alignez le laser de 935 nanomètres pour faire coïncider les lasers. Une fois cela fait, retirez le miroir temporaire et assurez-vous que le faisceau de 399 nanomètres peut être observé dans le CCD. Alignez verticalement le faisceau avec la position de piège attendue, puis déplacez le faisceau vers la puce.

Surveillez l’image CCD et associez l’intensité maximale de la lumière diffusée, le faisceau étant centré sur la surface de la puce. Déplacez ensuite le faisceau de la surface jusqu’à la position prévue du piège. Ensuite, reculez l’objectif d’imagerie et le CCD de la même distance.

Ensuite, réglez le laser de 399 nanomètres près de la transition d’ytterbium 174 appropriée. Surveillez l’image CCD lorsque le four à ytterbium est allumé et que le courant est augmenté. Faites-le tout en balayant le laser à travers la résonance d’ytterbium, pour identifier le début de l’évaporation, en observant la fluorescence.

Notez la valeur actuelle juste avant la fluorescence et éteignez le four. Faites la préparation finale pour le piégeage des ions. Revenez au filtre passe-bande au niveau du CCD et remplacez-le par un filtre passe-bande de 369,5 nanomètres.

De plus, ajustez les positions du CCD et de l’objectif d’imagerie pour la mise au point de 368,5 nanomètres. Réglez les tensions pour le convertisseur numérique-analogique contrôlant les électrodes. Allez ensuite au générateur RF fixé au résonateur hélicoïdal.

Allumez le générateur à très faible puissance et augmentez progressivement la puissance de sortie. Sur l’ordinateur de contrôle laser, réglez les fréquences laser et la source de courant du four à leurs valeurs appropriées. Après quelques minutes, bloquez brièvement le laser de 935 nanomètres pendant une à deux secondes pour commencer un test de piégeage.

Visualisez le piège avec le CCD. Si les ions sont piégés, le taux de diffusion diminue considérablement et l’image est sensiblement affectée. Bloquez le laser à quelques reprises pour vérifier que le blocage correspond aux changements d’image.

Une fois les ions piégés, éteignez le four. Ce composite d’images CCD multipliant les électrons, suggère l’emplacement de cinq ions d’ytterbium 174 1+ piégés dans une puce de piège à ions micro-fabriquée. Le nombre d’ions piégés peut être modifié en modifiant les tensions continues appliquées.

Dans cette vidéo d’ions piégés, les ions sont manipulés en faisant varier les tensions continues du piège. Les protocoles de fabrication de pièges à ions de surface et de piégeage des ions isotopiques de l’ytterbium 174 ont été présentés dans cette vidéo. Cette procédure peut être facilement étendue pour piéger les ions ytterbium de l’isotope 171 et manipuler l’étage cubique, ce qui permet finalement de s’orienter vers le traitement de l’information quantique et l’informatique quantique.