Metodi sperimentali per intrappolare gli ioni utilizzando microfabbricati trappole ioniche in superficie

L'obiettivo generale di questa procedura è preparare e dimostrare un allestimento sperimentale per il confinamento di ioni itterbio che includa un chip microfabbricato. La tecnologia dei trappole ioniche è considerata una delle principali candidate per l'implementazione fisica dell'elaborazione dell'informazione quantistica. Questa procedura fornisce protocolli dettagliati per la microfabbricazione di un chip trappola, nonché per la costruzione di un allestimento sperimentale atto a confinare ioni, utilizzando il chip trappola microfabbricato.

I sistemi a trappola ionica sviluppati mediante la tecnologia di microfabbricazione offrono un notevole potenziale per l'elaborazione dell'informazione quantistica e il calcolo quantistico. I protocolli presentati qui guideranno attraverso il processo di fabbricazione e l'allestimento di esperimenti con trappole ioniche. La dimostrazione visiva di questo metodo è fondamentale poiché richiede la coordinazione di diversi componenti, come laser, sistemi di imaging, una camera a vuoto, dispositivi elettronici e processi di microfabbricazione.

Per eseguire l'esperimento, è necessario innanzitutto realizzare il chip per trappola ionica a superficie. Questo è un esempio di chip montato su un supporto, utilizzato in questa dimostrazione. Le caratteristiche del chip sono rappresentate in questo schema, che mostra una fessura di carico, attraverso la quale vengono introdotti gli atomi neutri.

Su entrambi i lati della fessura di carico, sono presenti elettrodi a radiofrequenza per confinare gli ioni in direzioni perpendicolari alla fessura. Tensioni continue sugli elettrodi esterni confinano gli ioni lungo questa fessura. Tensioni continue sugli elettrodi interni aiutano a inclinare l'asse principale del potenziale totale.

Per l'esperimento, montare il chip imballato in una camera a vuoto ultra alto. In questo caso, il chip si trova al centro di una camera ottagonale sferica. Gli elementi del sistema a vuoto ultra alto sono rappresentati in questa panoramica schematica.

La pompa a ioni e il getter non evaporativo possono raggiungere pressioni inferiori a 3 x 10 alla 11a Torr. L'ottagono sferico include un forno flottato con gli atomi di itterbio. L'ottagono sferico è rappresentato al centro di questo schema della configurazione ottica finale.

Il chip microfabbricato si trova al centro dell'ottagono. I passanti consentono collegamenti elettrici agli elettrodi del chip all'interno del fornetto dell'ottagono. Gli elementi ottici sono disposti in modo che tre laser a diodo producano fasci che si sovrappongono nella posizione di trappolamento.

Una porta di osservazione rientrata nell'ottagono sferico permette a una lente di imaging di avvicinarsi alla superficie del chip. Immortalare la superficie del chip con una telecamera CCD a moltiplicazione elettronica. Collegare cavi multicanale a un convertitore da digitale ad analogico.

Collegare l'altra estremità dei cavi multicanale ai passanti dell'ottagono sferico. Inoltre, effettuare i collegamenti ai passanti appropriati per un risonatore elicoidale. Successivamente, utilizzare il risonatore, un analizzatore di spettro e un accoppiatore direzionale.

Collegare l'uscita del generatore RF all'uscita del coupler direzionale. Quindi collegare l'ingresso del risonatore alla porta di ingresso del coupler direzionale. Collegare la porta accoppiata in avanti all'ingresso RF dell'analizzatore di spettro.

Terminare la porta accoppiata inversa con una resistenza da 50 ohm. Ora, prepararsi ad aggiustare il cappuccio del risonatore elicoidale. Impostare la posizione del cappuccio del risonatore elicoidale, quindi scansionare le frequenze del generatore per identificare la frequenza alla quale la riflessione è minima.

Continuare a sintonizzare il risonatore regolando la posizione del cappuccio. Nel frattempo, monitorare la scansione di frequenza per individuare la frequenza del minimo globale della potenza riflessa. Una volta individuato il minimo globale, bloccare la posizione del cappuccio del risonatore.

Spegnere il generatore RF prima di proseguire. Per continuare, assicurarsi che tutti i laser siano posizionati, stabilizzati e bloccati per motivi di sicurezza. Sbloccare il laser a 369,5 nanometri e collimare il fascio.

Il fascio deve propagarsi verso il chip intrappolato. Allineare il fascio parallelamente al chip, sfiorandone quasi la superficie. Utilizzare una scheda per fasci, posizionata opposta al punto di ingresso del fascio, per verificare l'allineamento: la presenza di un punto luminoso indica che il fascio non viene riflesso da nessuna superficie.

Successivamente, montare una lente di focalizzazione su un palco di traslazione. Posizionare la lente in modo da focalizzare il fascio vicino al potenziale di trappola, mantenendolo comunque parallelo alla superficie del chip. Passare quindi a lavorare con l'ottica di imaging.

Scegliere un obiettivo di imaging con elevata apertura numerica montato su un palchetto traslazionale. Posizionarlo davanti alla finestra rientrata della camera a ultra alto vuoto. Questa è una vista schematica dell'allestimento con l'obiettivo di imaging posizionato.

Successivamente, allineare il fascio laser in modo che vi sia una certa diffusione dalla superficie del chip. Utilizzare una scheda per fascio come in precedenza per verificare che il fascio sia parzialmente ostruito. Procedere quindi posizionando la scheda per fascio vicino al piano immagine della lente di imaging.

Regolare la posizione dell'obiettivo di imaging mediante uno stadio di traslazione. La nuova posizione deve consentire alla luce diffusa di produrre un'immagine nitida sulla scheda del fascio. Posizionare ora un CCD a moltiplicazione elettronica sullo stadio di traslazione nel piano di imaging dell'obiettivo.

Posizionare davanti al CCD un filtro passa-banda per bloccare la luce di fondo. Gli elettrodi devono essere visibili utilizzando il CCD e il sistema di lenti. Successivamente, allineare il fascio verticalmente in modo che attraversi il potenziale di trappola.

Quindi monitorare il fascio e spostarlo verso la superficie della trappola. Presumere una dispersione massima del fascio, il che significa che il centro del fascio si trova sulla superficie del chip. Ora, utilizzare la fase di traslazione della lente per spostare il fascio all'altezza prevista del potenziale di trappolamento.

Dopo questa regolazione, spostare indietro di una stessa distanza le fasi di traslazione dell'obiettivo di imaging e della CCD e annotare la posizione. Questa è la vista schematica del sistema in questo momento. Il fascio passa attraverso la posizione prevista della trappola.

Proseguire dopo aver sbloccato i due laser rimanenti e iniziare a allinearli. Sostituire il filtro a banda passante davanti al CCD con un filtro a banda passante da 399 nanometri. Quindi regolare la posizione della lente di imaging e del CCD per mettere a fuoco gli elettrodi sul CCD.

Allineare il fascio collimato di 399 nanometri in modo che entri nella camera a vuoto, propagandosi in direzione opposta rispetto al fascio di 369,5 nanometri e sovrapponendosi a quest'ultimo. Introdurre uno specchio e uno specchio dicromatico per combinare i due fasci in modo che si propaghino insieme all'interno della camera. A scopo di verifica, aggiungere temporaneamente uno specchio nel percorso del fascio prima della camera e controllare la sovrapposizione dei fasci mediante un analizzatore di fascio.

Introdurre una lente di focalizzazione su un supporto di traslazione nel percorso del fascio tra il divisore dicromatico e gli specchi temporanei. Utilizzare il profiler del fascio per verificare la messa a fuoco dei due fasci. In questo caso, i due laser non sono focalizzati nello stesso punto, come invece dovrebbero essere.

Infine, allineare il laser a 935 nanometri per far coincidere i laser. Una volta completato ciò, rimuovere lo specchio temporaneo e verificare che il fascio a 399 nanometri sia visibile sul CCD. Allineare verticalmente il fascio con la posizione prevista della trappola, quindi spostare il fascio verso il chip.

Monitorare l'immagine CCD e associare l'intensità massima della luce dispersa al fascio centrato sulla superficie del chip. Successivamente, spostare il fascio dalla superficie alla posizione prevista della trappola. Dopodiché, spostare indietro di uguale distanza l'obiettivo di imaging e la CCD.

Quindi, impostare il laser a 399 nanometri vicino alla transizione appropriata dello 174 itterbio. Monitorare l'immagine del CCD mentre si accende il forno contenente l'itterbio e si aumenta la corrente. Eseguire questa operazione spostando il laser attraverso la risonanza dell'itterbio, per identificare l'inizio dell'evaporazione, osservando la fluorescenza.

Prenda nota del valore corrente immediatamente prima della fluorescenza e spegna il forno. Eseguire la preparazione finale per il confinamento degli ioni. Torni al filtro passabanda sul CCD e lo sostituisca con un filtro passabanda da 369,5 nanometri.

Inoltre, regolare le posizioni del CCD e dell'obiettivo di imaging per il fuoco a 368,5 nanometri. Impostare le tensioni per il convertitore digitale-analogico che controlla gli elettrodi. Quindi passare al generatore di RF collegato al risonatore elicoidale.

Accendere il generatore a una potenza molto bassa e aumentare gradualmente la potenza in uscita. Sul computer di controllo del laser, impostare le frequenze del laser e la corrente dell'oven sui valori appropriati. Dopo alcuni minuti, bloccare brevemente il laser a 935 nanometri per uno o due secondi per avviare un test di intrappolamento.

Visualizzare la trappia con il CCD. Se gli ioni sono intrappolati, la velocità di scattering diminuisce notevolmente e l'immagine risulta chiaramente alterata. Oscurare il laser più volte per verificare che l'oscuramento corrisponda ai cambiamenti nell'immagine.

Una volta intrappolati gli ioni, spegnere il forno. Questa composizione di immagini da un CCD a moltiplicazione elettronica indica la posizione di cinque ioni di itterbio 174 1+ intrappolati in un chip per trappola ionica microfabbricata. Il numero di ioni intrappolati può essere variato modificando le tensioni continue applicate.

In questo video relativo ad ioni intrappolati, gli ioni vengono manipolati variando le tensioni in corrente continua del trappolatore. Nel video sono stati presentati i protocolli per la fabbricazione di trappole ioniche a superficie e per l'intrappolamento di ioni dell'isotopo 174 dello itterbio. Questa procedura può essere facilmente estesa all'intrappolamento di ioni di itterbio dell'isotopo 171 e alla manipolazione dello stadio cubico, con l'obiettivo finale di avvicinarsi all'elaborazione dell'informazione quantistica e al calcolo quantistico.