微細加工を用いたイオンを捕集する実験方法表面イオン トラップ

この手順の全体的な目標は、微細加工チップを含むイッテルビウムイオンをトラップするための実験セットアップを準備し、実証することです。イオントラップ技術は、量子情報処理の物理的実装の有力候補の一つとされてきました。この手順では、トラップされたチップを微細加工するための詳細なプロトコルと、微細加工されたトラップチップを使用してイオンをトラップするための実験セットアップを構築するための詳細なプロトコルを提供します。

微細加工技術によって開発されたイオントラップシステムは、量子情報処理や量子コンピューティングに大きな可能性をもたらします。また、ここで紹介するプロトコルは、製造プロセスとイオントラップ実験の設定をガイドします。この手法の視覚的なデモンストレーションは、レーザー、イメージングシステム、真空チャンバー、電子機器、微細加工などのさまざまなコンポーネントのオーケストレーションを必要とするため、非常に重要です。

実験を行うには、まず表面のイオントラップチップを作製する必要があります。これは、このデモンストレーションで使用するキャリアに搭載されたチップの例です。チップの特徴はこの回路図に表されており、中性原子が導入されるローディングスロットがあります。

ローディングスロットの両側には、スロットに垂直な方向にイオンを閉じ込めるための無線周波数電極があります。外側電極のDC電圧は、このスロットに沿ってイオンを閉じ込めました。内部電極のDC電圧は、全電位の主軸を傾けるのに役立ちます。

実験では、パッケージ化されたチップを超高真空チャンバーに実装します。この場合、チップは球形の八角形チャンバーの中心にあります。超高真空システムの要素をこの概略図で示しています。

イオンポンプと非蒸発ゲッターは、3 x 10 から 11 番目の Torr 未満の圧力を達成できます。球形の八角形には、イッテルビウム原子で覆われたオーブンが含まれています。球形八角形は、最終的な光学セットアップのこの概略図の中心に表されます。

微細加工されたチップは八角形の中心にあります。フィードスルーにより、オクタゴンのオーブン内のチップ電極に電気的に接続できます。光学素子は、3つのダイオードレーザーがトラップ位置で重なり合うビームを生成するように配置されています。

球形八角形の凹型ビューポートにより、イメージングレンズをチップの表面に近づけることができます。チップの表面を電子増倍CCDカメラで撮像します。マルチチャンネルケーブルをデジタル-アナログコンバーターに接続します。

マルチチャネルケーブルのもう一方の端を球形八角形のフィードスルーに接続します。さらに、ヘリカル共振器への接続を通じて適切なフィードを行います。次に、共振器、スペクトラムアナライザー、指向性カプラーを操作します。

RF発生器の出力を方向性カプラーの出力に接続します。次に、共振器の入力を指向性カプラーの入力ポートに接続します。フォワードカップリングポートをスペクトラムアナライザのRF入力に接続します。

逆結合ポートを 50 Ω の抵抗で終端します。次に、ヘリカル共振器キャップを調整する準備をします。ヘリカル共振器キャップの位置を設定し、ジェネレーターの周波数をスキャンして、反射が最小になる周波数を特定します。

キャップの位置を調整して、レゾネーターの調整を続けます。その間、周波数スキャンを監視して、反射電力のグローバル最小値の周波数を見つけます。グローバル最小値を見つけたら、共振器キャップの位置をロックします。

続行する前に、RFジェネレーターの電源を切ってください。続行するには、安全のためにすべてのレーザーを所定の位置に置き、安定させてブロックします。369.5ナノメートルレーザーのブロックを解除し、ビームをコリメートします。

ビームは、トラップされたチップに向かって伝播する必要があります。ビームをチップと平行に、チップの表面にほぼ接触するように位置合わせします。ビームの入口ポイントの反対側にあるビームカードを使用して位置合わせをテストすると、スポットの周りでビームが反射しないことを示します。

次に、平行移動ステージに集光レンズを取り付けます。ビームをトラップ電位の近くに集束させ、チップ表面と平行になるようにレンズを配置します。イメージング光学系の操作に進みます。

トランスレーションステージに搭載された高開口数イメージングレンズを選択してください。これを超高真空チャンバーの埋め込み式窓の前に置きます。これは、イメージングレンズを所定の位置に設置したセットアップの概略図です。

次に、チップ表面からの散乱がある程度あるように、レーザービームを位置合わせします。前と同じようにビームカードを使用して、ビームが部分的にブロックされていることを確認します。次に、ビームカードを撮像レンズの像面の近くに配置します。

平行移動ステージでイメージングレンズの位置を調整します。新しい位置により、散乱光がビームカード上に鮮明な画像を生成することができるはずです。次に、電子増倍CCDをレンズの結像面の並進ステージに配置します。

CCDの前にバンドパスフィルターを配置して、背景光を遮断します。電極は、CCDとレンズのセットアップを使用して見える必要があります。次に、ビームがトラッピングポテンシャルを通過するようにビームを垂直に位置合わせします。

次に、ビームを監視し、トラップ表面に向かって移動します。最大ビーム散乱を仮定すると、ビームの中心はチップ表面にあります。次に、レンズ変換ステージを使用して、ビームをトラップ電位の予想される高さに移動します。

その後、撮像レンズとCCDの並進ステージを同じ距離だけ戻し、位置をメモします。これは、この時点でのシステムの概略図です。ビームは、予想されるトラップ位置を通過します。

他の2つのレーザーのブロックを解除した後も続行し、位置合わせを開始します。CCDの前にあるバンドパスフィルターを399ナノメートルのバンドパスフィルターに交換します。次に、イメージングレンズとCCDの位置を調整して、電極をCCDに焦点を合わせます。

コリメートされた399ナノメートルビームを整列させて真空チャンバーに入り、369.5ナノメートルビームとは反対方向に伝播し、重ね合わせます。ミラーとダイクロイックミラーを導入して、2つのビームを結合し、チャンバー内で共伝播します。試験では、チャンバーの前のビームパスに一時的にミラーを追加し、ビームプロファイラーでビームのオーバーラップを確認します。

ダイクロイックミラーとテンポラリミラーの間のビームパスの並進ステージに集光レンズを導入します。ビームプロファイラーを使用して、2つのビームの焦点を確認します。この場合、2つのレーザーは本来あるべき同じ点に集束していません。

最後に、935ナノメートルのレーザーを位置合わせして、レーザーを一致させます。これが完了したら、一時的なミラーを取り外し、CCDで399ナノメートルのビームを観察できることを確認します。ビームを予想されるトラップ位置に垂直に位置合わせしてから、ビームをチップに向かって移動します。

CCD画像を監視し、散乱光の最大強度を、ビームがチップ表面の中心にあるように関連付けます。次に、ビームを表面からトラップの予想される位置に移動します。これに続いて、イメージングレンズとCCDを同じ距離に戻します。

次に、399ナノメートルレーザーを適切なイッテルビウム174遷移に近づけます。イッテルビウム入りオーブンがオンになり、電流が増加すると、CCD画像を監視します。イッテルビウム共鳴を通してレーザーを掃引しながらこれを行い、蛍光を観察することにより、蒸発の開始を特定します。

蛍光の直前の電流値をメモし、オーブンの電源を切ります。イオンを捕捉するための最終準備を行います。CCDのバンドパスフィルターに戻り、369.5ナノメートルのバンドパスフィルターと交換します。

さらに、368.5ナノメートルの焦点のCCDとイメージングレンズの位置を調整します。電極を制御するデジタル-アナログコンバーターの電圧を設定します。次に、ヘリカル共振器に取り付けられたRFジェネレーターに移動します。

非常に低い電力設定で発電機の電源を入れ、出力電力を徐々に増やします。レーザー制御コンピューターで、レーザー周波数とオーブン電流源を適切な値に設定します。数分後、935ナノメートルレーザーを1〜2秒間短時間ブロックして、トラップのテストを開始します。

CCDでトラップを表示します。イオンがトラップされると、散乱率が大幅に低下し、画像に顕著な影響が及びます。レーザーを数回ブロックして、ブロッキングが画像の変化と相関していることを確認します。

イオンが閉じ込められたら、オーブンの電源を切ります。この電子増倍CCD画像の複合体は、微細加工されたイオントラップチップにトラップされた5つのイッテルビウム174 1+イオンの位置を示唆しています。印加されるDC電圧を変更することにより、トラップされるイオンの数を変えることができます。

このトラップされたイオンのビデオでは、トラップのDC電圧を変化させることによってイオンが操作されています。このビデオでは、表面イオントラップの作製とイッテルビウム174同位体イオンのトラップに関するプロトコルを紹介しました。この手順は、同位体171のイッテルビウムイオンをトラップし、立方体ステージを操作するために簡単に拡張でき、最終的には量子情報処理と量子コンピューティングに移行します。