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

L'obiettivo generale di questa procedura è quello di preparare e dimostrare un set up sperimentale per intrappolare gli ioni itterbio che include un chip micro-fabbricato. La tecnologia delle trappole ioniche è stata considerata uno dei principali candidati per l'implementazione fisica dell'elaborazione quantistica delle informazioni. Questa procedura fornisce i protocolli dettagliati per la microfabbricazione di un chip intrappolato e, per la costruzione di un set up sperimentale, per intrappolare gli ioni, utilizzando il chip trappola microfabbricato.

I sistemi di trappole ioniche sviluppati dalla tecnologia di microfabbricazione offrono un grande potenziale per l'elaborazione delle informazioni quantistiche e il calcolo quantistico. E i protocolli qui presentati guideranno attraverso il processo di fabbricazione e l'impostazione degli esperimenti con trappole ioniche. La dimostrazione visiva di questo metodo è fondamentale perché richiede l'orchestrazione di vari componenti come laser, sistemi di imaging, una camera a vuoto, elettronica e microfabbricazione.

Per eseguire l'esperimento, è necessario prima fabbricare il chip di superficie intrappolato negli ioni. Questo è un esempio di un chip montato in un supporto utilizzato in questa dimostrazione. Le caratteristiche del chip sono rappresentate in questo schema, c'è una fessura di caricamento, attraverso la quale vengono introdotti atomi neutri.

Su entrambi i lati della fessura di caricamento, ci sono elettrodi a radiofrequenza per confinare gli ioni in direzioni perpendicolari alla fessura. Le tensioni CC sugli elettrodi esterni confinavano gli ioni lungo questa fessura. Le tensioni CC sugli elettrodi interni aiutano a inclinare l'asse principale del potenziale totale.

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

La pompa ionica e il getter non evaporativo possono raggiungere pressioni inferiori a 3 x 10 fino all'11° Torr. L'ottagono sferico comprende un forno con gli atomi di itterbio. L'ottagono sferico è rappresentato al centro di questo schema dell'allestimento ottico finale.

Il chip microfabbricato si trova al centro dell'ottagono. I passanti consentono i collegamenti elettrici agli elettrodi del chip nel forno dell'ottagono. Gli elementi ottici sono disposti in modo che tre laser a diodi producano raggi che si sovrappongono nella posizione di intrappolamento.

Una porta di visualizzazione incassata nell'ottagono sferico consente a una lente di imaging di essere vicina alla superficie del chip. Immagine della superficie del chip con una telecamera CCD a moltiplicazione di elettroni. Collegare i cavi multicanale a un convertitore digitale-analogico.

Collegare l'altra estremità dei cavi multicanale ai passanti dell'ottagono sferico. Inoltre, effettuare l'alimentazione appropriata attraverso i collegamenti a un risonatore elicoidale. Successivamente, lavora con il risonatore, un analizzatore di spettro e un accoppiatore direzionale.

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

Terminare la porta ad accoppiamento inverso, con una resistenza da 50 ohm. Ora, preparati a regolare 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 della frequenza per trovare la frequenza del minimo globale di potenza riflessa. Una volta trovato il minimo globale, bloccare la posizione del cappuccio del risonatore.

Spegnere il generatore RF prima di continuare. Per continuare, avere tutti i laser in posizione, stabilizzati e bloccati per sicurezza. Sblocca il laser a 369,5 nanometri e collima il raggio.

Il raggio dovrebbe propagarsi verso il chip intrappolato. Allineare il raggio parallelamente al chip e quasi toccando la sua superficie. Utilizzare una scheda del raggio, di fronte al punto di ingresso del raggio per testare l'allineamento, intorno al punto, indica che il raggio non si riflette su alcuna superficie.

Quindi, montare una lente di messa a fuoco su una fase di traslazione. Posizionare la lente, in modo da focalizzare il raggio vicino al potenziale di intrappolamento, sempre parallelo alla superficie del truciolo. Passa a lavorare con l'ottica di imaging.

Scegli un obiettivo di imaging ad alta apertura numerica montato su un tavolino di traslazione. Posizionarlo davanti alla finestra incassata delle camere ad altissimo vuoto. Questa è una vista schematica della configurazione con la lente di imaging in posizione.

Quindi, allineare il raggio laser, in modo che ci sia una certa dispersione dalla superficie del chip. Utilizzare una scheda del raggio come prima per verificare che il raggio sia parzialmente bloccato. Passare a posizionare la scheda del raggio vicino al piano dell'immagine dell'obiettivo di imaging.

Regolare la posizione dell'obiettivo di imaging con un tavolino di traslazione. La nuova posizione dovrebbe consentire alla luce diffusa di produrre un'immagine nitida sulla scheda del raggio. Ora, posizionare un CCD moltiplicatore di elettroni sullo stadio di traslazione nel piano di imaging dell'obiettivo.

Davanti al CCD, posizionare un filtro passa-banda per bloccare la luce di sfondo. Gli elettrodi devono essere visibili, utilizzando il CCD e la configurazione della lente. Quindi, allineare il raggio verticalmente in modo che passi attraverso il potenziale di intrappolamento.

Quindi monitorare il raggio e spostarlo verso la superficie della trappola. Supponendo che la massima dispersione del raggio, significa che il centro del raggio si trova sulla superficie del chip. Ora, utilizzare lo stadio di traslazione della lente per spostare il raggio all'altezza prevista del potenziale di intrappolamento.

Dopo tale regolazione, spostare indietro le fasi di traslazione dell'obiettivo di imaging e del CCD della stessa distanza e annotare la posizione. Questa è la vista schematica del sistema a questo punto. Il raggio passa attraverso la posizione prevista della trappola.

Continua dopo aver sbloccato gli altri due laser e inizia ad allinearli. Sostituire il filtro passa-banda davanti al CCD con un filtro passa-banda a 399 nanometri. Quindi regolare le posizioni dell'obiettivo di imaging e del CCD per mettere a fuoco gli elettrodi sul CCD.

Allineare il fascio collimato a 399 nanometri, per entrare nella camera a vuoto, propagandosi nella direzione opposta al fascio di 369,5 nanometri e per sovrapporlo. Introduci uno specchio e uno specchio dicroico per combinare i due raggi in modo che si propaghino co-propagandosi nella camera. Per il test, aggiungere temporaneamente uno specchio al percorso del fascio prima della camera e controllare la sovrapposizione del fascio con un profilatore del raggio.

Introdurre una lente di messa a fuoco in una fase di traslazione nel percorso del fascio tra gli specchi dicroici e temporanei. Utilizzare il profilatore di raggi per controllare la messa a fuoco dei due raggi. In questo caso, i due laser non sono focalizzati nello stesso punto come dovrebbero.

Infine, allinea il laser a 935 nanometri per far coincidere i laser. Una volta fatto ciò, rimuovere lo specchio temporaneo e assicurarsi che il raggio di 399 nanometri possa essere osservato nel CCD. Allineate verticalmente il raggio con la posizione di abbondanza prevista, quindi spostate il raggio verso il chip.

Monitora l'immagine CCD e associa la massima intensità della luce diffusa, con il raggio centrato sulla superficie del chip. Quindi spostare il raggio dalla superficie alla posizione prevista per la trappola. A seguire, spostare l'obiettivo di imaging e il CCD indietro della stessa distanza.

Quindi, posizionare il laser a 399 nanometri vicino alla transizione appropriata dell'itterbio 174. Monitorare l'immagine CCD all'accensione del forno con itterbio e all'aumento della corrente. Fallo mentre fai scorrere il laser attraverso la risonanza dell'itterbio, per identificare l'inizio dell'evaporazione, osservando la fluorescenza.

Annotare il valore corrente appena prima della fluorescenza e spegnere il forno. Prepara l'ultima preparazione per intrappolare gli ioni. Ritorna al filtro passa-banda sul CCD e sostituiscilo con un filtro passa-banda a 369,5 nanometri.

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

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

Visualizzare la trappola con il CCD. Se gli ioni sono intrappolati, la velocità di dispersione diminuisce in modo significativo e l'immagine ne risente notevolmente. Bloccare il laser alcune volte per verificare che il blocco sia correlato ai cambiamenti dell'immagine.

Una volta intrappolati gli ioni, spegnere il forno. Questo composito di immagini CCD che moltiplicano gli elettroni, suggerisce la posizione di cinque ioni 1+1+ di itterbio intrappolati in un chip a trappola ionica micro-fabbricato. Il numero di ioni intrappolati può essere variato modificando le tensioni CC applicate.

In questo video di ioni intrappolati, gli ioni vengono manipolati variando le tensioni CC della trappola. In questo video sono stati presentati i protocolli per la fabbricazione di trappole ioniche di superficie e l'intrappolamento degli ioni isotopici dell'itterbio 174. Questa procedura può essere facilmente estesa per intrappolare gli ioni itterbio dell'isotopo 171 e manipolare lo stadio cubico, passando infine all'elaborazione dell'informazione quantistica e al calcolo quantistico.