שיטות נסיוניות שמחייב יונים באמצעות Microfabricated על פני השטח מלכודות יונים

המטרה הכוללת של הליך זה היא להכין ולהדגים מערך ניסוי ללכידת יוני איטרביום הכולל שבב מיקרו-מפוברק. טכנולוגיית מלכודת יונים נחשבת לאחד המועמדים המובילים ליישום פיזיקלי של עיבוד מידע קוונטי. נוהל זה מספק את הפרוטוקולים המפורטים לייצור מיקרו של שבב לכוד וכן לבניית מערך ניסיוני ללכידת יונים, באמצעות שבב המלכודת המיקרו-מפוברק.

מערכות מלכודת יונים שפותחו על ידי טכנולוגיית המיקרו-פבריקציה, מספקות פוטנציאל גדול לעיבוד מידע קוונטי ומחשוב קוונטי. והפרוטוקולים המוצגים כאן, ידריכו את תהליך הייצור והקמת ניסויי מלכודת יונים. הדגמה ויזואלית של שיטה זו היא קריטית מכיוון שהיא דורשת תזמור של רכיבים שונים כגון, לייזרים, מערכות הדמיה, תא ואקום, אלקטרוניקה ומיקרו-ייצור.

כדי לבצע את הניסוי, תחילה צריך לייצר את השבב הכלוא על פני השטח. זוהי דוגמה לשבב המותקן במנשא המשמש בהדגמה זו. תכונות השבב מיוצגות בסכימה זו, יש חריץ טעינה, דרכו מוכנסים אטומים ניטרליים.

משני צידי חריץ הטעינה, ישנן אלקטרודות בתדר רדיו להגבלת יונים בכיוונים בניצב לחריץ. מתחי DC על האלקטרודות החיצוניות כלאו יונים לאורך חריץ זה. מתחי DC על האלקטרודות הפנימיות, עוזרים להטות את ציר העיקרון של הפוטנציאל הכולל.

לצורך הניסוי, הרכיב את השבב הארוז בתא ואקום גבוה במיוחד. במקרה זה, השבב נמצא במרכזו של תא מתומן כדורי. האלמנטים של מערכת הוואקום הגבוהה במיוחד מיוצגים בסקירה סכמטית זו.

משאבת היונים והמקבל שאינו מתאדה, יכולים להשיג לחצים מתחת ל-3 x 10 עד ה-11 טור. המתומן הכדורי כולל תנור עם אטומי איטרביום. המתומן הכדורי מיוצג במרכז סכימה זו של המערך האופטי הסופי.

השבב המיקרו-מיוצר נמצא במרכז המתומן. דרכי הזנה מאפשרות חיבורים חשמליים לאלקטרודות השבב בתנור המתומן. האלמנטים האופטיים מסודרים כך ששלושה לייזרי דיודה מייצרים אלומות החופפות במצב הלכידה.

יציאת תצוגה שקועה במתומן הכדורי, מאפשרת לעדשת הדמיה להיות קרובה לפני השטח של השבב. דמיין את פני השבב עם מצלמת CCD המכפיל אלקטרונים. חבר כבלים רב ערוציים לממיר דיגיטלי לאנלוגי.

חבר את הקצה השני של הכבלים הרב-ערוציים להזנה של המתומן הכדורי. בנוסף, בצע את ההזנה המתאימה דרך חיבורים לתהודה סלילית. לאחר מכן, עבוד עם המהוד, מנתח ספקטרום ומצמד כיווני.

חבר את הפלט של מחולל ה-RF לפלט של המצמד הכיווני. לאחר מכן חבר את כניסת התהודה, עם יציאת הקלט של המצמד הכיווני. חבר את היציאה המצומדת קדימה לכניסת ה-RF של מנתח הספקטרום.

סיים את היציאה המצומדת ההפוכה, עם נגד 50 אוהם. כעת, התכוננו לכוונן את מכסה התהודה הסלילי. הגדר את המיקום של מכסה התהודה הסלילי, ולאחר מכן סרוק את תדרי הגנרטור, כדי לזהות את התדר שבו ההשתקפות היא מינימלית.

המשך לכוון את המהוד על ידי כוונון מיקום המכסה. בינתיים, עקוב אחר סריקת התדרים כדי למצוא את תדירות המינימום הגלובלי של הספק מוחזר. עם מציאת המינימום הגלובלי, נעל את מיקום מכסה התהודה.

כבה את מחולל ה-RF לפני שתמשיך. כדי להמשיך, דאג שכל הלייזרים יהיו במקומם, ייצבו וחסמו ליתר ביטחון. בטל את חסימת הלייזר של 369.5 ננומטר וקולימציה של האלומה.

הקרן צריכה להתפשט לעבר השבב הלכוד. יישר את הקרן במקביל לשבב וכמעט נוגע במשטח שלו. השתמש בכרטיס אלומה, מול נקודת הכניסה של האלומה כדי לבדוק את היישור, סביב הנקודה, מציין שהקרן אינה משתקפת מאף משטח.

לאחר מכן, הרכיב עדשת מיקוד על שלב התרגום. הנח את העדשה, כדי למקד את האלומה ליד פוטנציאל הלכידה, עדיין במקביל למשטח השבב. עברו לעבודה עם אופטיקת ההדמיה.

בחר עדשת הדמיה עם צמצם מספרי גבוה המותקנת על במת תרגום. הנח את זה מול החלון השקוע של תאי הוואקום הגבוהים במיוחד. זוהי תצוגה סכמטית של ההתקנה עם עדשת ההדמיה במקומה.

לאחר מכן, יישר את קרן הלייזר, כך שיהיה פיזור מסוים משטח השבב. השתמש בכרטיס קרן כמו קודם כדי לוודא שהקרן חסומה חלקית. עבור למקם את כרטיס האלומה ליד מישור התמונה של עדשת ההדמיה.

התאם את מיקום עדשת ההדמיה עם שלב תרגום. המיקום החדש אמור לאפשר לאור המפוזר לייצר תמונה חדה על כרטיס האלומה. כעת, הנח אלקטרון מכפיל CCD על שלב התרגום במישור ההדמיה של העדשה.

מול ה-CCD, הצב מסנן פס פס כדי לחסום את אור הרקע. האלקטרודות צריכות להיות גלויות, באמצעות ה-CCD והעדשה שהוגדרו. לאחר מכן, יישר את הקורה אנכית כך שהיא תעבור דרך פוטנציאל הלכידה.

לאחר מכן עקוב אחר הקורה והזיז אותה לכיוון משטח המלכודת. נניח שפיזור אלומה מקסימלי, פירושו שמרכז האלומה נמצא על משטח השבב. כעת, השתמש בשלב תרגום העדשה כדי להזיז את האלומה לגובה הצפוי של פוטנציאל הלכידה.

לאחר התאמה זו, הזיזו את שלבי התרגום של עדשת ההדמיה וה-CCD לאחור באותו מרחק ושימו לב למיקום. זוהי התצוגה הסכמטית של המערכת בשלב זה. הקרן עוברת דרך מיקום המלכודת הצפוי.

המשך לאחר ביטול החסימה של שני הלייזרים האחרים והתחל ליישר אותם. החלף את מסנן פס הפס מול ה-CCD, במסנן פס פס של 399 ננומטר. לאחר מכן כוונן את עדשת ההדמיה ואת מיקומי ה-CCD כדי להביא את האלקטרודות למיקוד ב-CCD.

יישר את אלומת ה-399 ננומטר המקולטת, כדי להיכנס לתא הוואקום, להתפשט בכיוון ההפוך לאלומת ה-369.5 ננומטר ולחפוף אותה. הציגו מראה ומראה דיכרואית כדי לשלב את שתי הקורות כך שהן יתפשטו יחד בתא. לבדיקה, הוסף באופן זמני מראה לנתיב האלומה לפני החדר ובדוק את חפיפת הקרן עם פרופיל קרן.

הציגו עדשת מיקוד על שלב תרגום בנתיב האלומה בין המראות הדיכרואיות והזמניות. השתמש בפרופיל האלומה כדי לבדוק את המיקוד של שתי הקרניים. במקרה זה, שני הלייזרים אינם ממוקדים באותה נקודה כפי שהם צריכים להיות.

לבסוף, יישר את הלייזר של 935 ננומטר כדי להביא את הלייזרים לצירוף. לאחר שזה נעשה, הסר את המראה הזמנית והיה בטוח שניתן לצפות באלומת 399 ננומטר ב-CCD. יישר אנכית את הקורה עם מיקום המלכודת הצפוי ולאחר מכן הזז את הקרן לכיוון השבב.

עקוב אחר תמונת ה-CCD ושייך את העוצמה המקסימלית של האור המפוזר, כאשר האלומה מרוכזת על פני השבב. לאחר מכן העבר את הקרן מהמשטח למיקום הצפוי של המלכודת. עקוב אחר זה על ידי הזזת עדשת ההדמיה וה-CCD לאחור באותו מרחק.

לאחר מכן, הגדר את הלייזר של 399 ננומטר קרוב למעבר המתאים של איטרביום 174. עקוב אחר תמונת ה-CCD כאשר התנור עם איטרביום מופעל והזרם מוגבר. עשה זאת תוך כדי סחיפת הלייזר דרך תהודת האיטרביום, כדי לזהות את תחילת האידוי, על ידי התבוננות בקרינה.

שימו לב לערך הנוכחי ממש לפני הקרינה וכבו את התנור. ערכו את ההכנה הסופית ללכידת יונים. חזור למסנן פס הפס ב-CCD והחלף אותו במסנן פס פס של 369.5 ננומטר.

בנוסף, התאם את מיקומי עדשות ה-CCD וההדמיה למיקוד של 368.5 ננומטר. הגדר את המתחים עבור הממיר הדיגיטלי לאנלוגי השולט באלקטרודות. לאחר מכן עבור לגנרטור ה- RF המחובר לתהודה הסלילית.

הפעל את הגנרטור בהגדרת הספק נמוכה מאוד והגדל בהדרגה את הספק המוצא. במחשב בקרת הלייזר, הגדר את תדרי הלייזר ומקור זרם התנור לערכים המתאימים. לאחר מספר דקות, חסום לזמן קצר את הלייזר של 935 ננומטר למשך שנייה עד שתיים כדי להתחיל בבדיקת לכידה.

הצג את המלכודת באמצעות ה- CCD. אם יונים נלכדים, קצב הפיזור יורד באופן משמעותי והתמונה מושפעת באופן ניכר. חסום את הלייזר כמה פעמים כדי לבדוק את מתאם החסימה עם שינויים בתמונה.

לאחר לכידת היונים, כבה את התנור. תרכובת זו של תמונות CCD המכפילות אלקטרונים, מרמזת על מיקומם של חמישה יוני איטרביום 174 1+ הלכודים בשבב מלכודת יונים מיקרו-מפוברק. ניתן לשנות את מספר היונים הלכודים על ידי שינוי מתחי ה-DC המופעלים.

בסרטון זה של יונים לכודים, היונים עוברים מניפולציה על ידי שינוי מתחי ה-DC של המלכודת. הפרוטוקולים לייצור מלכודות יונים על פני השטח ולכידת יוני איזוטופים של איטרביום 174, הוצגו בסרטון זה. ניתן להרחיב הליך זה בקלות כדי ללכוד יוני איטרביום של איזוטופ 171 ולתפעל שלב מעוקב, ובסופו של דבר להתקדם לעבר עיבוד מידע קוונטי ומחשוב קוונטי.