Name: Eksperymentalne metody wychwytywania jonów za pomocą mikrofabrykowanych powierzchniowych pułapek jonowych (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-08-17T14:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 45 s
Description: Poznaj metody mikrofabrykacji powierzchniowych pułapek jonowych do wychwytywania jonów ytterbu w temperaturze pokojowej. Technologia ta ma kluczowe znaczenie dla przetwarzania informacji kwantowej.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

To badanie było częściowo wspierane przez Ministerstwo Nauki, ICT, i Planowania Przyszłości (MSIP), Korea, w ramach programu wsparcia Centrum Badań nad Technologiami Informacyjnymi (ITRC) (IITP-2017-2015-0-00385) oraz programu badawczo-rozwojowego ICT (10043464, Rozwój technologii przemiennika kwantowego do zastosowań w systemach komunikacyjnych), nadzorowanego przez Instytut Promocji Technologii Informacyjnych i Komunikacyjnych (IITP).

<ol><li>Wineland, D. J. <a target="_blank" href="https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2012/wineland-lecture.pdf">Nobel Lecture: Superposition, entanglement, and raising Schrödinger's cat.</a> Rev Mod Phys. 85 (3), 1103(2013).</li>
<li>Blatt, R., Wineland, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Entangled+states+of+trapped+atomic+ions%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Entangled states of trapped atomic ions.</a> Nature. 453 (7198), 1008-1015 (2008).</li>
<li>Leibfried, D., Blatt, R., Monroe, C., Wineland, D. <a target="_blank" href="http://ai2-s2-pdfs.s3.amazonaws.com/5112/6412c51a24a4b3115332e644722e01aa144d.pdf">Quantum dynamics of single trapped ions.</a> Rev Mod Phys. 75 (1), 281(2003).</li>
<li>Paul, W. <a target="_blank" href="http://iontrap.umd.edu/wp-content/uploads/2013/10/electromagnetic-traps-for-charged-and-neutral-particles-Paul.pdf">Electromagnetic traps for charged and neutral particles.</a> Rev Mod Phys. 62 (3), 531(1990).</li>
<li>Rosenband, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Frequency+ratio+of+Al%2B+and+Hg%2B+single-ion+optical+clocks%3B+metrology+at+the+17th+decimal+place%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Frequency ratio of Al+ and Hg+ single-ion optical clocks; metrology at the 17th decimal place.</a> Science. 319 (5871), 1808-1812 (2008).</li>
<li>Dawson, P. H. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aDawson%2C+PH+%22Quadrupole+mass+spectrometry+and+its+applications%22">Quadrupole mass spectrometry and its applications</a>. , 1st ed, Elsevier. Amsterdam, Netherlands. (2013).</li>
<li>Ladd, T. D., Jelezko, F., Laflamme, R., Nakamura, Y., Monroe, C., O'Brien, J. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Quantum+computers%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Quantum computers.</a> Nature. 464 (7285), 45-53 (2010).</li>
<li>Monz, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Realization+of+a+scalable+Shor+algorithm%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Realization of a scalable Shor algorithm.</a> Science. 351 (6277), 1068-1070 (2016).</li>
<li>Debnath, S., Linke, N. M., Figgatt, C., Landsman, K. A., Wright, K., Monroe, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Demonstration+of+a+small+programmable+quantum+computer+with+atomic+qubits%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Demonstration of a small programmable quantum computer with atomic qubits.</a> Nature. 536 (7614), 63-66 (2016).</li>
<li>Blatt, R., Roos, C. F. <a target="_blank" href="http://www.nature.com/nphys/journal/v8/n4/full/nphys2252.html">Quantum simulations with trapped ions.</a> Nature Phys. 8 (4), 277-284 (2012).</li>
<li>Kielpinski, D., Monroe, C., Wineland, D. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Architecture+for+a+large-scale+ion-trap+quantum+computer%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Architecture for a large-scale ion-trap quantum computer.</a> Nature. 417 (6890), 709-711 (2002).</li>
<li>Moehring, D. L., et al. <a target="_blank" href="https://arxiv.org/abs/1105.1834">Design, fabrication and experimental demonstration of junction surface ion traps.</a> New J Phys. 13 (7), 075018(2011).</li>
<li>Wright, K., et al. <a target="_blank" href="https://arxiv.org/abs/1210.3655">Reliable transport through a microfabricated X-junction surface-electrode ion trap.</a> New J Phys. 15 (3), 033004(2013).</li>
<li>Amini, J. M., et al. <a target="_blank" href="http://iopscience.iop.org/article/10.1088/1367-2630/12/3/033031/pdf">Toward scalable ion traps for quantum information processing.</a> New J Phys. 12 (3), 033031(2010).</li>
<li>Sterling, R. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fabrication+and+operation+of+a+two-dimensional+ion-trap+lattice+on+a+high-voltage+microchip%5BTitle%5D)+AND+%22Nat+Commun%22%5BJournal%5D)">Fabrication and operation of a two-dimensional ion-trap lattice on a high-voltage microchip.</a> Nat Commun. 5, (2014).</li>
<li>Kumph, M., et al. <a target="_blank" href="https://arxiv.org/abs/1402.0791">Operation of a planar-electrode ion-trap array with adjustable RF electrodes.</a> New J Phys. 18 (2), 023047(2016).</li>
<li>Mielenz, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Arrays+of+individually+controlled+ions+suitable+for+two-dimensional+quantum+simulations%5BTitle%5D)+AND+%22Nat+Commun%22%5BJournal%5D)">Arrays of individually controlled ions suitable for two-dimensional quantum simulations.</a> Nat Commun. 7, (2016).</li>
<li>Stick, D., Hensinger, W. K., Olmschenk, S., Madsen, M. J., Schwab, K., Monroe, C. <a target="_blank" href="http://www.nature.com/nphys/journal/v2/n1/full/nphys171.html">Ion trap in a semiconductor chip.</a> Nat Phys. 2 (1), 36-39 (2006).</li>
<li>Harty, T. P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High-fidelity+preparation%2C+gates%2C+memory%2C+and+readout+of+a+trapped-ion+quantum+bit%5BTitle%5D)+AND+%22Phys+Rev+Lett%22%5BJournal%5D)">High-fidelity preparation, gates, memory, and readout of a trapped-ion quantum bit.</a> Phys Rev Lett. 113 (22), 220501(2014).</li>
<li>Cho, D., Hong, S., Lee, M., Kim, T. <a target="_blank" href="https://link.springer.com/article/10.1186/s40486-015-0013-3">A review of silicon microfabricated ion traps for quantum information processing.</a> Micro Nano Sys Lett. 3 (1), 1-12 (2015).</li>
<li>Weidt, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Trapped-ion+quantum+logic+with+global+radiation+fields%5BTitle%5D)+AND+%22Phys+Rev+Lett%22%5BJournal%5D)">Trapped-ion quantum logic with global radiation fields.</a> Phys Rev Lett. 117 (22), 220501(2016).</li>
<li>Monroe, C., Kim, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Scaling+the+ion+trap+quantum+processor%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Scaling the ion trap quantum processor.</a> Science. 339 (6124), 1164-1169 (2013).</li>
<li>Brown, K. R., Kim, J., Monroe, C. <a target="_blank" href="https://www.nature.com/articles/npjqi201634">Co-designing a scalable quantum computer with trapped atomic ions.</a> npj Quantum Inf. 2, 16034(2016).</li>
<li>Lekitsch, B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Blueprint+for+a+microwave+trapped-ion+quantum+computer%5BTitle%5D)+AND+%22Science+Adv%22%5BJournal%5D)">Blueprint for a microwave trapped-ion quantum computer.</a> Science Adv. 3 (2), e1601540(2017).</li>
<li>Reichel, J., Vuletic, V. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aReichel%2C+J+%22Atom+chips%22">Atom chips</a>. , John Wiley & Sons, Inc. Hoboken, New Jersey, USA. (2011).</li>
<li>Ghosh, P. K. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aGhosh%2C+PK+%22Ion+Traps%22">Ion Traps</a>. ed, ,1st , 1st ed, Oxford Science Publications. Oxford, UK. (1995).</li>
<li>Wesenberg, J. H. <a target="_blank" href="https://arxiv.org/pdf/0808.1623.pdf">Electrostatics of surface-electrode ion traps.</a> Phys Rev A. 78 (6), 063410(2008).</li>
<li>House, M. G. <a target="_blank" href="https://journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/PhysRevA.78.033402">Analytic model for electrostatic fields in surface-electrode ion traps.</a> Phys Rev A. 78 (3), 033402(2008).</li>
<li>Hong, S., Lee, M., Cheon, H., Kim, T., Cho, D. I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Guidelines+for+Designing+Surface+Ion+Traps+Using+the+Boundary+Element+Method%5BTitle%5D)+AND+%22Sensors%22%5BJournal%5D)">Guidelines for Designing Surface Ion Traps Using the Boundary Element Method.</a> Sensors. 16 (5), 616(2016).</li>
<li>Allcock, D. T. C., et al. <a target="_blank" href="https://arxiv.org/abs/0909.3272">Implementation of a symmetric surface-electrode ion trap with field compensation using a modulated Raman effect.</a> New J Phys. 12 (5), 053026(2010).</li>
<li>Chiaverini, J., et al. <a target="_blank" href="http://tf.nist.gov/general/pdf/2019.pdf">Surface-electrode architecture for ion-trap quantum information processing.</a> Quantum Inf Comput. 5 (6), 419-439 (2005).</li>
<li>Allcock, D. T. C., et al. <a target="_blank" href="https://arxiv.org/abs/1105.4864">Heating rate and electrode charging measurements in a scalable, microfabricated, surface-electrode ion trap.</a> Appl Phys B. 107 (4), 913-919 (2012).</li>
<li>Stick, D., et al. Demonstration of a microfabricated surface electrode ion trap. , Available from:
 <a target="_blank" href="https://arxiv.org/abs/1008.0990">https://arxiv.org/abs/1008.0990</a> (2010).</li>
<li>Allcock, D. T. C., et al. <a target="_blank" href="https://arxiv.org/abs/1110.1486">Reduction of heating rate in a microfabricated ion trap by pulsed-laser cleaning.</a> New J Phys. 13 (12), 123023(2011).</li>
<li>Mount, E., et al. <a target="_blank" href="https://arxiv.org/abs/1306.1269">Single qubit manipulation in a microfabricated surface electrode ion trap.</a> New J Phys. 15 (9), 093018(2013).</li>
<li>Siverns, J. D., Simkins, L. R., Weidt, S., Hensinger, W. K. <a target="_blank" href="https://arxiv.org/abs/1106.5013">On the application of radio frequency voltages to ion traps via helical resonators.</a> Appl Phys B. 107 (4), 921-934 (2012).</li>
<li>Kleinert, M., Dahl, M. E. G., Bergeson, S. <a target="_blank" href="https://arxiv.org/pdf/1609.02218.pdf">Measurement of the Yb I 1S0−1P1 transition frequency at 399 nm using an optical frequency comb.</a> Phys Rev A. 94 (5), 052511(2016).</li>
<li>Olmschenk, S., Younge, K. C., Moehring, D. L., Matsukevich, D. N., Maunz, P., Monroe, C. <a target="_blank" href="https://arxiv.org/abs/0708.0657">Manipulation and detection of a trapped Yb+ hyperfine qubit.</a> Phys Rev A. 76 (5), 052314(2007).</li>
<li>Sansonetti, J. E., Martin, W. C., Young, S. L. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aSansonetti%2C+JE+%22Handbook+of+Basic+Atomic+Spectroscopic+Data%22">Handbook of Basic Atomic Spectroscopic Data</a>. , National Institute of Standards and Technology. Gaithersburg, MD, USA. version 1.1.3 (2013).</li>
<li>Kern, W. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aKern%2C+W+%22Thin+film+processes+II%22">Thin film processes II</a>. , 2nd ed, Academic Press. Cambridge, Massachusetts, USA. (2012).</li>
<li>Streed, E. W., Weinhold, T. J., Kielpinski, D. <a target="_blank" href="https://arxiv.org/abs/0806.1794">Frequency stabilization of an ultraviolet laser to ions in a discharge.</a> Appl Phys Lett. 93 (7), 071103(2008).</li>
</ol>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

W pracy przedstawiono metodę wychwytywania jonów za pomocą mikrofabrykowanych powierzchniowych pułapek jonowych. Budowa systemu pułapki jonowej wymaga doświadczeń w różnych dziedzinach badawczych, ale nie została wcześniej szczegółowo opisana. W artykule tym przedstawiono szczegółowe procedury mikrowytwarzania chipa pułapki, a także konstruowania eksperymentalnego zestawu do wychwytywania jonów po raz pierwszy. W artykule tym przedstawiono również szczegółowe procedury wychwytywania 174jonów Yb+ i eksperymentowania z uwięzionymi jonami.
Istotną przeszkodą napotykaną w procedurach mikroprodukcji jest osadzanie się warstwy dielektrycznej o grubości ponad 10 μm. Podczas procesu osadzania grubej warstwy dielektrycznej mogą narastać naprężenia szczątkowe, które mogą spowodować uszkodzenie folii dielektrycznej, a nawet pęknięcie płytki. Aby zmniejszyć naprężenie szczątkowe, które jest na ogół ściskające, należy stosować powolną szybkość osadzania40. W naszym przypadku zmierzono naprężenie ściskające 110,4 MPa przy warunkach osadzania 540 sccm natężenia przepływu gazu SiH4 , 140 W mocy RF i 1,9 Torr ciśnienia przy grubości warstwy 5 μm. Jednak te warunki procesu stanowią jedynie przybliżone odniesienie, ponieważ warunki te mogą się znacznie różnić dla różnych urządzeń. W celu zniwelowania skutków nagromadzonego naprężenia, w prezentowanej metodzie naniesiono naprzemiennie folie SiO2 o grubości 3,5 μm po obu stronach płytki. Wymaganą grubość warstwy dielektrycznej można zmniejszyć, jeśli wybrana zostanie mniejsza amplituda napięcia RF, a tym samym płytsza głębokość pułapki. Jednak płytsza głębokość pułapki łatwo prowadzi do ucieczki uwięzionych jonów, dlatego bardziej pożądane jest wytwarzanie grubszych warstw dielektrycznych, które mogą wytrzymać wyższe napięcia RF.
Istnieją pewne ograniczenia dotyczące metody wytwarzania przedstawionej w tym artykule. Długości nawisów nie są wystarczające, aby całkowicie ukryć dielektryczne ścianki boczne przed uwięzionymi jonami, jak pokazano na rysunku 7f. Ponadto ściany boczne słupów tlenkowych są postrzępione, co zwiększa odsłonięty obszar dielektrycznych ścian bocznych w porównaniu z pionowym słupkiem tlenkowym. Na przykład w przypadku ściany bocznej wewnętrznej szyny prądu stałego w pobliżu szczeliny ładunkowej z równomiernym wysięgiem 5 μm oblicza się, że 33% powierzchni dielektrycznej jest narażone na położenie uwięzionych jonów pionowej ściany bocznej. W przypadku obudowy z postrzępionymi krawędziami odsłonięte jest ponad 70% powierzchni ściany bocznej. Te nieidealne wyniki produkcji mogą indukować dodatkowe pola rozproszone z odsłoniętych dielektryków, ale efekty te nie zostały zmierzone ilościowo. Niemniej jednak, sfabrykowany chip, jak opisano powyżej, został z powodzeniem wykorzystany w eksperymentach z pułapkowaniem jonów i manipulacją kubitami. Ponadto układ pułapki przedstawiony w tym artykule ma odsłonięte silikonowe ścianki boczne w pobliżu szczeliny ładowania. Tlenek natywny może rosnąć na powierzchniach krzemu i może powodować powstawanie dodatkowych pól błądzących. Dlatego zaleca się zabezpieczenie podłoża silikonowego dodatkową warstwą metalu, jak w33.
Aby wychwycić jony 174Yb+, częstotliwości laserów powinny być ustabilizowane w granicach kilkudziesięciu MHz, a kilka różnych metod jest omówionych w zaawansowanych konfiguracjach38,41. Jednak w przypadku prostej konfiguracji omówionej w tym artykule, początkowe uwięzienie jest możliwe tylko przy stabilizacji za pomocą miernika długości fali.
W artykule tym przedstawiono protokół wychwytywania 174jonów Yb+ za pomocą mikroprefabrykowanego powierzchniowego układu pułapki jonowej. Chociaż protokół pułapkowania jonów 171Yb+ nie jest szczegółowo omówiony, konfiguracja eksperymentalna opisana w tym artykule może być również wykorzystana do wychwytywania jonów 171Yb+ i manipulowania stanem kubitów 171jonów Yb+ w celu uzyskania wyników oscylacji Rabiego (pokazano na rysunku 10). Można tego dokonać poprzez dodanie kilku modulatorów optycznych do wyjścia laserów oraz za pomocą zestawu mikrofalowego, jak opisano w dokumencie dodatkowym.
Podsumowując, metody eksperymentalne i wyniki przedstawione w niniejszej pracy mogą być wykorzystane do opracowania różnych zastosowań informacji kwantowej z wykorzystaniem powierzchniowych pułapek jonowych.

Pułapka Paula może zatrzymywać naładowane cząstki, w tym jony w pustej przestrzeni, za pomocą kombinacji statycznego pola elektrycznego i zmiennego pola elektrycznego oscylującego z częstotliwością radiową (RF), a stany kwantowe jonów zamkniętych w pułapce mogą być mierzone i kontrolowane1,2,3. Takie pułapki jonowe zostały pierwotnie opracowane do precyzyjnych zastosowań pomiarowych, w tym zegarów optycznych i spektroskopii mas4,5,6. W ostatnich latach te pułapki jonowe były również aktywnie badane jako fizyczna platforma do implementacji kwantowego przetwarzania informacji przypisywanego pożądanym cechom uwięzionych jonów, takim jak długie czasy koherencji, idealna izolacja w środowisku ultrawysokiej próżni (UHV) oraz wykonalność indywidualnej manipulacji kubitami7,8,9,10. Od czasu Kiełpińskiego i wsp. 11 zaproponował skalowalną architekturę pułapek jonowych, która może być wykorzystana do rozwoju komputerów kwantowych, różnych typów pułapek powierzchniowych, w tym pułapek połączeniowych12,13, wielostrefowe układy pułapek14, oraz pułapki tablicowe 2-D15,16,17, zostały opracowane przy użyciu mikroprodukcji opartej na procesie półprzewodników methods18,19,20,21. Omówiono również wielkoskalowe systemy kwantowego przetwarzania informacji oparte na pułapkach powierzchniowych22,23,24.
Ten artykuł przedstawia eksperymentalne metody wychwytywania jonów za pomocą mikrofabrykowanych powierzchniowych pułapek jonowych. Dokładniej rzecz ujmując, opisano procedurę wytwarzania powierzchniowych pułapek jonowych oraz szczegółową procedurę wychwytywania jonów za pomocą wytworzonych pułapek. Ponadto w dokumencie uzupełniającym znajdują się szczegółowe opisy różnych praktycznych technik tworzenia systemu doświadczalnego i zatrzymywania jonów.
Metodologia mikrowytwarzania powierzchniowej pułapki jonowej jest podana w kroku 1. Rysunek 1 pokazuje uproszczony schemat powierzchniowej pułapki jonowej. Pokazane są również pola elektryczne generowane przez napięcie przyłożone do elektrod w płaszczyźnie poprzecznej25. Napięcie RF jest przykładane do pary elektrod RF, podczas gdy wszystkie inne elektrody są utrzymywane w masie RF; potencjał ponderomotoryczny26 generowany przez napięcie RF ogranicza jony do kierunku promieniowego. Napięcie prądu stałego (DC) przyłożone do wielu elektrod prądu stałego na zewnątrz elektrod RF ogranicza jony w kierunku wzdłużnym. Wewnętrzne szyny między elektrodami RF są zaprojektowane tak, aby pomóc w przechyleniu głównych osi całkowitego potencjału w płaszczyźnie poprzecznej. Metodyka projektowania zestawu napięciowego prądu stałego jest zawarta w dokumencie uzupełniającym. Ponadto więcej szczegółów dotyczących projektowania podstawowych parametrów geometrycznych powierzchniowych układów pułapki jonowej można znaleźć w27,28,29,30,31.
Metoda produkcji wprowadzona w kroku 1 została zaprojektowana z uwzględnieniem następujących aspektów. Po pierwsze, warstwa dielektryczna między warstwą elektrody a warstwą uziemienia powinna być wystarczająco gruba, aby zapobiec przebiciu elektrycznemu między warstwami. Generalnie grubość powinna wynosić ponad 10 μm. Podczas osadzania się grubej warstwy dielektrycznej naprężenia szczątkowe od osadzonych folii mogą powodować wyginanie się podłoża lub uszkodzenie osadzonych folii. W związku z tym kontrolowanie naprężeń szczątkowych jest jedną z kluczowych technik wytwarzania powierzchniowych pułapek jonowych. Po drugie, należy zminimalizować narażenie powierzchni dielektrycznych na pozycję jonów, ponieważ ładunki rozproszone mogą być indukowane na materiale dielektrycznym przez rozproszone lasery ultrafioletowe (UV), co z kolei powoduje losowe przesunięcie położenia jonów. Odsłonięty obszar można zmniejszyć, projektując konstrukcje elektrod zwisających. Doniesiono, że powierzchniowe pułapki jonowe z nawisami elektrod są odporne na ładowanie w typowych warunkach eksperymentalnych32. Po trzecie, wszystkie materiały, w tym różne osadzone folie, powinny być w stanie wytrzymać pieczenie w temperaturze 200 °C przez około 2 tygodnie, a ilość odgazowania ze wszystkich materiałów powinna być kompatybilna ze środowiskami UHV. Projekt mikrofabrykowanych mikroukładów pułapki jonowej na powierzchni w tym artykule opiera się na projekcie pułapki z33, który został z powodzeniem wykorzystany w różnych eksperymentach32,33,34,35. Zwróć uwagę, że ten projekt zawiera szczelinę w środku chipa do ładowania neutralnych atomów, które są później fotojonizowane w celu uwięzienia.
Po wyprodukowaniu chipa pułapki jonowej, chip jest montowany i elektrycznie podłączony do nośnika chipa za pomocą złotych drutów łączących. Nośnik wiórów jest następnie instalowany w komorze UHV. Szczegółowa procedura przygotowania pakietu chipów pułapki oraz projekt komory NN znajdują się w Dokumencie Uzupełniającym.
Przygotowanie sprzętu optycznego i elektrycznego, jak również procedury eksperymentalne dotyczące pułapkowania jonów, są szczegółowo wyjaśnione w kroku 2. Jony uwięzione przez potencjał ponderomotoryczny podlegają na ogół fluktuacjom otaczającego pola elektrycznego, co w sposób ciągły zwiększa średnią energię kinetyczną jonów. Chłodzenie laserowe oparte na przesunięciu Dopplera może być wykorzystane do usunięcia nadmiaru energii z ruchu jonów. Rysunek 2 pokazuje uproszczone wykresy poziomów energetycznych jonu 174Yb+ i neutralnego atomu 174Yb. Chłodzenie dopplerowskie jonów 174Yb+ wymaga lasera 369,5 nm i lasera 935 nm, podczas gdy fotojonizacja neutralnych atomów 174Yb wymaga lasera 399 nm. Kroki 2.2 i 2.3 opisują skuteczną metodę ustawiania tych laserów do powierzchniowego układu pułapki jonowej oraz procedurę znajdowania odpowiednich warunków do fotojonizacji. Po przygotowaniu elementów optycznych i elektrycznych wychwytywanie jonów jest stosunkowo proste. Eksperymentalna sekwencja wychwytywania jonów została przedstawiona w kroku 2.4.

<table><tbody><tr><td>fotorezystor stosowany do 2-&mu; m powłoka spinowa</td><td>AZ Materials</td><td>AZ7220</td><td>Wycofane z produkcji. Łatwo zastąpiony innym alternatywnym produktem fotorezystu.</td></tr><tr><td>fotorezystor stosowany do 6-&mu; m powłoka spinowa</td><td>AZ Materials</td><td>AZ4620</td><td>Wycofane ze sprzedaży. Łatwo zastąpiony innym alternatywnym produktem fotorezystu.</td></tr><tr><td>ceramiczny nośnik wiórów</td><td>NTK</td><td>IPKX0F1-8180BA</td><td></td></tr><tr><td>związek epoksydowy</td><td>Epotek</td><td>353ND</td><td></td></tr><tr><td>System chemicznego osadzania z fazy gazowej wspomaganej plazmą (PECVD)</td><td>Oxford Instruments</td><td>PlasmaPro System100</td><td></td></tr><tr><td>Niskociśnieniowy system chemicznego osadzania z fazy gazowej (LPCVD)</td><td>Piec Centrotherm</td><td>E-1200</td><td></td></tr><tr><td></td><td>Seltron</td><td>SHF-150</td><td></td></tr><tr><td>Sputter</td><td>Muhan Vacuum</td><td>MHS-1500</td><td></td></tr><tr><td>Ręczny aligner</td><td>Karl-Suss</td><td>MA-6</td><td></td></tr><tr><td>Wytrawiacz głęboki Si</td><td>Plasma-Therm</td><td>SLR-770-10R-B</td><td></td></tr><tr><td>Wytrawiacz plazmy sprzężonej indukcyjnie (ICP)</td><td>Oxford Instruments</td><td>PlasmaPro System100 Cobra</td><td></td></tr><tr><td>Wytrawianie jonami reaktywnymi (RIE)</td><td>Zastosowane materiały</td><td>P-5000</td><td></td></tr><tr><td>Oprogramowanie do metody elementów brzegowych (BEM)</td><td>CPO Sp. z o.o.</td><td>Optyka cząstek naładowanych</td><td></td></tr><tr><td>Monokrystaliczna (100) płytka krzemowa</td><td>STC</td><td>4SWP02</td><td>100 mm / (100) / typ P / SSP / 525&plusmn; 25 &mu; m</td></tr><tr><td>Rury metalowe</td><td>Mcmaster-carr</td><td>89935K69</td><td>316 Rurki ze stali nierdzewnej, 0,042 "OD, 0,004" Grubość ścianki</td></tr><tr><td>Yb kawałek</td><td>Goodfellow</td><td>YB005110</td><td>Drut iterbowy, czystość 99,9%</td></tr> <tr><td>wzbogacony 171Yb</td><td>Oak Ridge National Laboratory</td><td>Yb-171</td><td>https://www.isotopes.gov/catalog/product.php?element=Ytterbium</td></tr><tr><td>folia</td> <td>tantalowaNilaco Corporation</td><td>TI-453401</td><td>0,25x130x100mm 99,5%</td></tr> <tr><td>drut miedziany w izolacji kaptonu</td><td>Accu-glass</td><td>18AWG (posrebrzany drut miedziany obrażony kaptonem)</td><td></td></tr> <tr><td>analizator gazów resztkowych (RGA)</td> <td>SRS</td><td>Pompa turbo RGA200</td><td></td></tr><tr><td></td><td>Agilent</td><td>Twistorr84 FS</td><td></td></tr><tr>całkowicie<td>metalowy zawór</td><td>KJL Instrukcja obsługi</td><td>SS Zawory kątowe całkowicie metalowe (CF z kołnierzem)</td><td></td></tr><tr><td>Wykrywacz nieszczelności (używany jako pompa zgrubna)</td>Wskaźniki jonów <td>Varian</td><td>PD03</td><td></td></tr><tr><td></td><td>Pompa jonowa Agilent</td><td>UHV-24p</td><td></td></tr><tr><td></td><td>Pompa Agilent</td><td>VacIon Plus 20</td><td></td></tr><tr><td>NEG</td><td>SAES Getters</td><td>Ośmiokąt sferyczny CapaciTorr D400</td><td></td></tr><tr><td></td><td>Kimball Physics</td><td>MCF600-SphOct-F2C8</td><td></td></tr><tr><td>Gniazdo ZIF</td><td>Tactic Electronics</td><td>P/N 100-4680-002A przepusty</td><td></td></tr><tr><td>wielopinowe</td><td>Accu-Glass</td><td>6-100531</td><td></td></tr><tr><td>25 adapterów płci D-sub</td><td>Accu-Glass</td><td>104101</td><td></td></tr><tr><td>Wizjer wpuszczany</td><td>Culham Centre for Fusion Energy</td><td>100CF 316LN+20.9 Re-Entrant 316 (na zamówienie)</td><td>Materiał dysku: 60cv Topiona krzemionka 4mm THK, TWE Lambda 1/10, 20/10 Scratch-Dig</td></tr><tr><td>Wpuszczana rzutnia Powłoka</td> <td>ARLaserOptik</td><td>AR355nm/0-6&deg; HT370-650nm/0-36&deg; na UHV (na zamówienie)</td> <td>Powłoka AR została wykonana w trakcie produkcji wpuszczanej rzutni</td></tr><tr><td>Przetwornik cyfrowo-analogowy</td><td>AdLink</td><td>PCIe-6216V-GL</td><td></td></tr><tr><td>Laser 369,5nm</td><td>Laser Toptica</td><td>TA-SHG Pro</td><td></td></tr><tr><td>369,5nm</td><td>Moglabs</td><td>ECD004 + 370LD10 + DLC102/HC</td><td></td></tr><tr><td>Laser 399nm</td><td>Toptica</td><td>DL 100</td><td></td></tr><tr><td>935nm</td> <td>laserkrosowe światłowodowe Toptica</td><td>DL 100</td><td></td></tr><tr><td>369,5 nm i 399 nm</td><td>Coherent</td><td>NUV-320-K1</td><td>są podłączane przez połączenia żebrowe.</td></tr><tr><td>Światłowód 935nm</td><td>GouldFiber Optics</td><td>PSK-000626</td><td>Rozdzielacz wiązki światłowodowej 50/50 wykonany z światłowodu jednomodowego Corning HI-780 do łączenia ze sobą 935nm i 638nm.</td></tr><tr><td>Miernik długości fali</td><td>Wysoka finezja</td><td>WSU-2</td><td></td></tr><tr><td>zwierciadło tymczasowe</td><td>Thorlabs</td><td>PF10-03-P01</td><td></td></tr><tr><td>Lustro dichroiczne</td><td>Semrock</td><td>FF647-SDi01-25x36</td><td></td></tr><tr><td>Kolimator 369,5 nm i 399 nm</td><td>Mikro systemy laserowe</td><td>FC5-UV-T/A Kolimator</td><td></td></tr><tr><td>935nm</td><td>Sch&auml; fter + Kirchhoff</td><td>60FC-0-M8-10</td><td></td></tr><tr><td>369,5nm soczewka skupiająca</td><td>CVI</td><td>PLCX-25,4-77,3-UV-355-399</td><td>Ogniskowa: ~163mm @ 369,5nm</td></tr><tr><td>399nm i 935nm soczewka skupiająca</td><td>CVI</td><td>PLCX-25,4-64,4-UV-355-399</td><td>Ogniskowa: ~137mm @ 399nm, ~143mm @ 935nm</td></tr><tr><td>obiektyw obrazowy</td><td>Photon Gear</td><td>P/N 15470</td><td></td></tr><tr><td>369,5nm filtr pasmowo-przepustowy</td><td>Semrock</td><td>FF01-370/ Filtr</td> pasmowo-przepustowy 6-25 <td></td></tr><tr><td>399nm</td> Filtr podczerwieni <td>Semrock</td><td>FF01-395/11-25</td><td></td></tr><tr><td>Kamera</td><td>Semrock</td><td>FF01-650/SP-25</td><td></td></tr><tr><td>Kamera EMCCD</td><td>Andor Technology</td><td>DU-897U-CS0-EXF</td><td></td></tr><tr><td>PMT</td><td>Hamamatsu</td><td>H10682-210</td><td></td></tr></tbody></table>

eksperymentalne metody wychwytywania jonów za pomocą mikrofabrykowanych powierzchniowych pułapek jonowych

Experimental Methods for Trapping Ions Using Microfabricated Surface Ion Traps

Jony uwięzione w kwadrupolowej pułapce Paula zostały uznane za jednego z silnych fizycznych kandydatów do implementacji kwantowego przetwarzania informacji. Wynika to z ich długiego czasu koherencji oraz zdolności do manipulowania i wykrywania pojedynczych bitów kwantowych (kubitów). W ostatnich latach mikrofabrykowane powierzchniowe pułapki jonowe zyskały większą uwagę w przypadku zintegrowanych platform kubitowych na dużą skalę. W artykule przedstawiono metodologię mikrowytwarzania pułapek jonowych z wykorzystaniem technologii systemów mikroelektromechanicznych (MEMS), w tym metodę wytwarzania warstwy dielektrycznej o grubości 14 μm i metalowych zwisających struktur na warstwie dielektrycznej. Ponadto opisano eksperymentalną procedurę wychwytywania jonów iterbu (Yb) izotopu 174 (174Yb+) przy użyciu laserów diodowych 369,5 nm, 399 nm i 935 nm. Te metodologie i procedury obejmują wiele dyscyplin naukowych i inżynieryjnych, a w niniejszym artykule najpierw przedstawiono szczegółowe procedury eksperymentalne. Metody omówione w tej pracy można łatwo rozszerzyć o wychwytywanie jonów Yb izotopu 171 (171Yb+) oraz o manipulację kubitami.

Rycina 7 przedstawia obrazy z mikroskopu elektronowego o skaningowym (SEM) wykonanego czipa z pułapką jonową. Elektrody RF, wewnętrzne elektrody DC, zewnętrzne elektrody DC oraz szczelina do załadowania zostały pomyślnie wytworzone. Profil boczny słupka dielektrycznego stał się nierówny, ponieważ tlenek PECVD został osadzony w kilku etapach. Wielokrotne etapy osadzania zostały zastosowane w celu zminimalizowania wpływu naprężeń resztkowych pochodzących z grubych warstw tlenku. Jest to dalej omawiane w sekcji Dyskusja.

Rycina 8 przedstawia obraz z kamery EMCCD pięciu jonów 174Yb+ uwięzionych za pomocą mikrofabrykowanego układu pułapki jonowej. Uwięzione jony mogą przetrwać ponad 24 godziny przy ciągłym chłodzeniu dopplerowskim. Liczbę uwięzionych jonów można regulować w zakresie od 1 do 20, zmieniając zestaw napięć stałych. To ustawienie eksperymentalne jest bardzo niezawodne i odporno na uszkodzenia, a obecnie działa już od 50 miesięcy.
Rycina 9 przedstawia przesuwanie uwięzionych jonów wzdłuż kierunku osiowego. Pozycja jonu na Rycinie 9b została przesunięta względem tej na Rycinie 9a poprzez regulację położenia minimum potencjału DC przez zmianę napięć stałych.
Rycina 10 przedstawia wstępne wyniki eksperymentów z oscylacjami Rabiego przeprowadzonych z jonem 171Yb+. Aby uzyskać te wyniki, wykorzystano dodatkowe układy opisane w Dokumencie uzupełniającym. Wyniki zostały zamieszczone w celu zademonstrowania potencjalnego zastosowania układu eksperymentalnego wyjaśnionego w niniejszym artykule.
<img alt="Schemat mikrofabrykowanej pułapki jonowej pokazujący projekt elektrod DC/RF do wychwytywania i manipulowania jonami." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig1.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Figure 1"> 
Rysunek 1: Schemat powierzchniowej pułapki jonowej. (a) Czerwone kropki reprezentują uwięzione jony. Brązowe i żółte elektrody oznaczają odpowiednio elektrody RF i DC. Szare strzałki wskazują kierunek pola elektrycznego w fazie dodatniej napięcia RF. Należy zauważyć, że schemat nie jest wykonany w skali. (b) Wymiar pionowy struktury elektrod. (c) Wymiar boczny struktury elektrod. <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56060/56060fig1large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.</a>
<img alt="Diagram poziomów energetycznych przedstawiający przejścia atomowe o długościach fal 369,5 nm, 935,2 nm, 638,6 nm." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig2.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Figure 2"> 
Rycina 2: Uproszczone diagramy poziomów energetycznych jonu 174Yb+ oraz obojętnego atomu 174Yb. (a) Gdy laser o długości fali 369,5 nm jest strojony po stronie czerwonej (niższa częstotliwość) rezonansu, przejście cykliczne pomiędzy 2P1/2 a 2S1/2 powoduje zmniejszenie energii kinetycznej jonu dzięki efektowi Dopplera. Czasami, choć z małym, skończonym współczynnikiem rozgałęzienia, elektron przejdzie z 2P1/2 do 2D3/2, wówczas konieczne jest użycie lasera o długości fali 935 nm, aby przywrócić elektron do głównego przejścia cyklicznego. Elektron może również przejść do stanu 2F7/2 średnio raz na godzinę, a laser o długości fali 638 nm może go wypompować ze stanu 2F7/2, jednak nie jest to konieczne w prostym układzie38. Wartości w notacji ket reprezentują rzuty całkowitych pędów kątowych J na oś kwantyzacji mJ. (b) Aby zjonizować obojętne atomy odparowywane z pieca, zastosowano proces dwufotonowego wychwytu39. Laser o długości fali 399 nm wzbudzał elektron do stanu 1P1, a foton o długości fali 369,5 nm używany do chłodzenia dopplerowskiego miał więcej energii, niż potrzeba do oderwania wzbudzonego elektronu od jonu. <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56060/56060fig2large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tego rysunku.</a>
<img alt="Diagram procesu produkcji półprzewodników z etapami utleniania termicznego, napylania Al i wzorcowania SiO₂." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig3.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Figure 3"> 
Rysunek 3: Schemat procesu wytwarzania pułapki jonów powierzchniowych. (a) Utlenianie termiczne w celu wytworzenia warstwy SiO2 o grubości 5 000 Å oraz LPCVD warstwy Si3N4 o grubości 2 000 Å. (b) Napylanie i trawienie ICP warstwy Al o grubości 1,5 µm. (c) Napylanie warstwy SiO2 o grubości 14 µm na obu stronach płytki metodą PECVD. (d) Wzorcowanie warstwy SiO2 o grubości 14 µm napylonej na stronie przedniej płytki przy użyciu procesu RIE. (e) Wzorcowanie warstwy SiO2 o grubości 14 µm napylonej na stronie tylnej płytki przy użyciu procesu RIE. (f) Napylanie warstwy Al o grubości 1,5 µm metodą napylania oraz warstwy SiO2 o grubości 1 µm metodą PECVD. (g) Wzorcowanie warstwy Al o grubości 1,5 µm przy użyciu procesu ICP oraz warstwy SiO2 o grubości 1 µm przy użyciu procesu RIE. (h) Wzorcowanie warstwy SiO2 o grubości 14 µm napylonej na stronie przedniej płytki przy użyciu procesu RIE. (i) Wzorcowanie warstwy SiO2 o grubości 5 000 Å oraz warstwy Si3N4 o grubości 2 000 Å przy użyciu procesu RIE. (j) DRIE podłoża krzemowego na głębokość 450 µm od strony tylnej płytki. (k) Trawienie mokre warstwy SiO2 na elektrodach Al oraz na ściankach bocznych filarów dielektrycznych. (l) Przeniknięcie podłoża krzemowego od strony przedniej za pomocą procesu DRIE. Należy pamiętać, że schematy nie są wykonane w skali. <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56060/56060fig3large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tego rysunku.</a>
<img alt="Schemat napięcia elektrody, pokazujący zastosowanie RF do przyspieszania cząstek, analizy wiązki jonów." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig4.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Figure 4"> 
Rycina 4: Przykład zestawu napięć stałoprądowych (DC) używanego do pułapkowania jonów. Napięcia przyłożone do wewnętrznych szyn mogą kompensować asymetryczne pole elektryczne w kierunku poziomym, dzięki czemu główną oś potencjału całkowitego w płaszczyźnie poprzecznej można przechylić. Częstotliwość pułapkowania w kierunku osiowym wygenerowana przez ten zestaw napięć wynosiła 550 kHz. <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56060/56060fig4large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tej ryciny.</a>
<img alt="Schemat układu spektroskopii laserowej, pokazujący drogę optyczną, lustra dichroiczne i wykrywanie emisji." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig5v2.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rycina 5"> 
Rycina 5: Schematyczne przedstawienie układu optycznego. Trzy lasery diodowe są ustawione tak, aby ich wiązka przecinała się w miejscu pułapkowania. Wgłębione okienko komory UHV pozwala umieścić obiektyw obrazujący jak najbliżej powierzchni chipu. Zwierciadło przesuwne umieszczone pomiędzy obiektywem obrazującym a kamerą EMCCD umożliwia selektywne monitorowanie fluorescencji jonów za pomocą rurki fotopomnożacza (PMT) lub kamery EMCCD. <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56060/56060fig5v2large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.</a>
<img alt="Układ eksperymentalny w laboratorium optyki kwantowej; schematy uzwojenia, ścieżek wiązek, konfiguracji soczewek i detekcji." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig6.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Figure 6"> 
Rysunek 6: Obrazy zrealizowanego układu optycznego. (a) Cewka nawinięta wokół przedniego okienka komory służy do generowania pola magnetycznego, które może rozszczepiać zdegenerowane poziomy energetyczne jonów iterbu. (b) Układ optyczny do kierowania wiązkami o długościach 399 nm i 935 nm. Czerwone i zielone linie wskazują ścieżki wiązek laserów o długościach 935 nm i 399 nm, odpowiednio. (c) Konfiguracja systemu obrazowania, w tym lustra przestawnego, soczewki obiektywu, kamery EMCCD oraz fotopowielacza PMT. Kierunek fluorescencji emitowanej przez uwięzione jony określa lustro przestawne. Zielona i biała strzałka wskazują ścieżkę fluorescencji rejestrowanej odpowiednio przez kamerę EMCCD i fotopowielacz PMT. <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56060/56060fig6large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.</a>
<img alt="Diagramy SEM mikroukładowania szyn RF i DC, elektrod i pól do wiązania, ilustrujące układ strukturalny." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig7.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rycina 7"> 
Rycina 7: Wyniki wytwarzania pułapki powierzchniowej dla jonów. (a) Przegląd układu chipu. (b) Powiększony widok układu chipu, pokazujący wiele zewnętrznych elektrod DC. (c) Powiększony widok układu chipu, pokazujący szczelinę do ładowania. (d) Przekrój przez obszar pułapkowania przed wykonaniem szczeliny do ładowania. (e) Przekrój przez obszar pułapkowania po wykonaniu szczeliny do ładowania. (f) Powiększony przekrój przez słupki tlenkowe. Słupki tlenkowe mają nierówne ścianki, a długości występów są niewystarczające, co wynika z nieregularnej szybkości trawienia SiO2 na styku oddzielnie napylanych warstw SiO2 o grubości 3,5 µm. (g) Widok z góry na pole do wiązania drutowego elektrody DC. (h) Przekrój przez otwór przejściowy. Pochylone profile słupków tlenkowych umożliwiają połączenie elektrody DC z warstwą uziemienia podczas napylania warstwy Al na bocznych ściankach słupka tlenkowego, zamiast wypełniania otworów przejściowych poprzez proces elektrolitycznego osadzania. <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56060/56060fig7large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tego rysunku.</a>
<img alt="Uwięzione jony Yb, układ laserowy 369,5 nm, rozkład natężenia, wynik spektroskopii, schemat." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig8.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rycina 8"> 
Rycina 8: Obraz z kamery EMCCD pięciu uwięzionych jonów 174Yb+ na mikrofabrykowanym chipie pułapki jonowej. Obraz struktury elektrod pułapki powierzchniowej został wykonany oddzielnie, a następnie obrazy uwięzionego jonu i elektrod zostały połączone w celu zwiększenia przejrzystości. Legenda natężenia dotyczy wyłącznie pikseli w obrębie ramki. Gruba strzałka wskazuje tor wiązki lasera o długości fali 369,5 nm, a cienkie strzałki reprezentują składowe x i z pędu fotonu. <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56060/56060fig8large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.</a>
<img alt="Schemat optycznego wzbudzenia przedstawiający kierunkowe ustawienie lasera oraz skalę natężenia do badania fluorescencji." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig9.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Figure 9"> 
Rycina 9: Regulacja potencjału osiowego uwięzionych jonów w łańcuchu liniowym. (a) Siedem jonów w centrum pułapki. (b) Jony przesunięto o kilkadziesiąt mikrometrów. (c) Łańcuch jonowy ściśnięty w kierunku osiowym. Niniejsza rycina najlepiej sprawdza się jako film, który został przesłany oddzielnie. <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56060/56060fig9large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby obejrzeć powiększoną wersję tej ryciny.</a>
<img alt="Wykres przejścia stanu kwantowego; prawdopodobieństwo w funkcji czasu w oscylacjach Rabiego; fazy sfery Blocha." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig10.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rycina 10"> 
Rycina 10: Wyniki eksperymentalne oscylacji Rabiego między stanami |0<img alt="Diagram równowagi statycznej; równania ΣFx=0, MA=0; narzędzie analityczne edukacyjne." src="/files/ftp_upload/56060/56060img1.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Obraz 1"> i |1<img alt="Diagram równowagi statycznej; równania ΣFx=0, MA=0; narzędzie analityczne edukacyjne." src="/files/ftp_upload/56060/56060img1.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Obraz 1">. Stan |0<img alt="Diagram równowagi statycznej; równania ΣFx=0, MA=0; narzędzie analityczne edukacyjne." src="/files/ftp_upload/56060/56060img1.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Obraz 1"> zdefiniowano jako stan 2S1/2|F=0, mF=0<img alt="Diagram równowagi statycznej; równania ΣFx=0, MA=0; narzędzie analityczne edukacyjne." src="/files/ftp_upload/56060/56060img1.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Obraz 1"> jonu 171Yb+, a stan |1<img alt="Diagram równowagi statycznej; równania ΣFx=0, MA=0; narzędzie analityczne edukacyjne." src="/files/ftp_upload/56060/56060img1.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Obraz 1"> zdefiniowano jako stan 2S1/2|F=1, mF=0<img alt="Diagram równowagi statycznej; równania ΣFx=0, MA=0; narzędzie analityczne edukacyjne." src="/files/ftp_upload/56060/56060img1.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Obraz 1">. Oscylacje Rabiego wzbudzane są mikrofalą o częstotliwości 12,6428 GHz. Sfery Blocha umieszczone nad wykresem przedstawiają odpowiadające stany kwantowe w różnych chwilach czasu. <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56060/56060fig10large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.</a>
Dokument dodatkowy: <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56060/jove-56060_Supplementary_Document.pdf" target="_blank">Kliknij tutaj, aby pobrać ten dokument.</a>

Ten artykuł przedstawia metodologię mikrofabrykacji dla powierzchniowych pułapek jonowych, jak również szczegółową eksperymentalną procedurę wychwytywania jonów iterbu w środowisku o temperaturze pokojowej.

Eksperymentalne metody wychwytywania jonów za pomocą mikrofabrykowanych powierzchniowych pułapek jonowych

Ions trapped in a quadrupole Paul trap have been considered one of the strong physical candidates to implement quantum information processing. This is due ...

Ogólnym celem niniejszej procedury jest przygotowanie i zaprezentowanie układu eksperymentalnego do pułapkowania jonów iterbu, który obejmuje mikrofabrykowany chip. Technologia pułapek jonowych jest uznawana za jednego z głównych kandydatów do fizycznej implementacji przetwarzania informacji kwantowych. Niniejsza procedura dostarcza szczegółowych protokołów mikrofabrykacji chipu pułapki, a także budowy układu eksperymentalnego do pułapkowania jonów z wykorzystaniem mikrofabrykowanego chipu pułapki.Systemy pułapek jonowych opracowane dzięki technologii mikrofabrykacji wykazują ogromny potencjał w przetwarzaniu informacji kwantowych i obliczeniach kwantowych. Przedstawione tutaj protokoły poprowadzą przez proces produkcji oraz konfigurację eksperymentów z wykorzystaniem pułapek jonowych. Demonstracja wizualna tej metody jest kluczowa, ponieważ wymaga ona koordynacji różnych komponentów, takich jak lasery, systemy obrazowania, komora próżniowa, elektronika oraz mikrofabrykacja.Aby przeprowadzić eksperyment, w pierwszej kolejności należy wykonać chip do pułapkowania jonów na powierzchni. Jest to przykład chipa zamontowanego w nośniku, który jest wykorzystywany w tej demonstracji. Elementy chipa przedstawiono na tym schemacie; znajduje się na nim szczelina załadowcza, przez którą wprowadzane są neutralne atomy.Po obu stronach szczeliny ładującej znajdują się elektrody wysokiej częstotliwości, które ograniczają ruch jonów w kierunkach prostopadłych do szczeliny. Napięcia stałe (DC) na zewnętrznych elektrodach ograniczają jony wzdłuż tej szczeliny. Napięcia stałe (DC) na wewnętrznych elektrodach pomagają nachylić główną oś całkowitego potencjału.W celu przeprowadzenia eksperymentu zamontuj obudowany chip w komorze ultrawysokiej próżni. W tym przypadku chip znajduje się w centrum sferycznej komory ośmiokątnej. Elementy systemu ultrawysokiej próżni przedstawiono na tym schematycznym przekrozie.Pompa jonowa i getter nieparowy mogą zapewnić ciśnienie poniżej 3 x 10⁻¹¹ Torr. Sferyczny oktagon zawiera piec z atomami itrbu. Sferyczny oktagon jest przedstawiony w centrum tego schematu końcowego układu optycznego.Mikrofabrykowany chip znajduje się w centrum oktagonu. Przelotki umożliwiają połączenia elektryczne z elektrodami chipa wewnątrz pieca oktagonu. Elementy optyczne są rozmieszczone w taki sposób, aby trzy lasery diodowe wytwarzały wiązki, które nakładają się na siebie w punkcie pułapkowania.Wnęka okna obserwacyjnego w sferycznym ośmiokącie umożliwia zbliżenie obiektywu obrazującego do powierzchni chipa. Wykonaj obrazowanie powierzchni chipa za pomocą kamery CCD z mnożeniem elektronów. Podłącz kable wielokanałowe do przetwornika cyfrowo-analogowego.Podłącz drugi koniec kabli wielokanałowych do przejść hermetycznych sferycznego ośmiościanu. Dodatkowo wykonaj odpowiednie połączenia przejść hermetycznych z rezonatorem helikalnym. Następnie pracuj z rezonatorem, analizatorem widma i sprzęgaczem kierunkowym.Podłącz wyjście generatora RF do wyjścia sprzęgacza kierunkowego. Następnie połącz wejście rezonatora z portem wejściowym sprzęgacza kierunkowego. Podłącz port sprzężenia w przód do wejścia RF analizatora widma.Zakończ port sprzężony wsteczny za pomocą rezystora 50 ohm. Następnie przygotuj się do regulacji kapsla rezonatora helikalnego. Ustaw pozycję kapsla rezonatora helikalnego, a następnie przeskanuj częstotliwości generatora, aby zidentyfikować częstotliwość, przy której odbicie jest minimalne.Kontynuuj strojenie rezonatora poprzez regulację pozycji nakrętki. W międzyczasie monitoruj skan częstotliwości, aby znaleźć częstotliwość globalnego minimum mocy odbitej. Po znalezieniu globalnego minimum zablokuj pozycję nakrętki rezonatora.Przed kontynuacją wyłącz generator RF. Aby przejść dalej, upewnij się, że wszystkie lasery są na swoich miejscach, ustabilizowane i zablokowane ze względów bezpieczeństwa. Odblokuj laser o długości fali 369.5 nanometr i skolimuj wiązkę.Wiązka powinna być skierowana w stronę pułapki na chipie. Należy ustawić wiązkę równolegle do chipa, tak aby niemal dotykała jego powierzchni. W celu sprawdzenia współosiowości należy użyć karty do wiązki, umieszczonej naprzeciw punktu wejścia wiązki; brak plamki wskazuje, że wiązka nie odbija się od żadnej powierzchni.Następnie zamocuj soczewkę skupiającą na stole translacyjnym. Umieść soczewkę w taki sposób, aby skupić wiązkę w pobliżu potencjału pułapkującego, wciąż równolegle do powierzchni chipa. Przejdź do pracy z optyką obrazującą.Należy wybrać obiektyw obrazujący o wysokiej aperturze numeryczną, zamontowany na stole translacyjnym. Umieść go przed wpuszczonym oknem komory ultrawysokiej próżni. Przedstawiony jest schematyczny widok układu z zainstalowanym obiektywem obrazującym.Następnie ustaw wiązkę lasera tak, aby z powierzchni chipu występowało rozproszenie. Użyj karty do wiązki, jak poprzednio, aby zweryfikować, że wiązka jest częściowo zablokowana. Przejdź do umieszczenia karty do wiązki w pobliżu płaszczyzny obrazu soczewki obrazującej.Wyreguluj położenie soczewki obrazującej za pomocą stołu translacyjnego. Nowa pozycja powinna pozwolić rozproszonemu światłu na wytworzenie ostrego obrazu na karcie wiązki. Następnie umieść detektor EMCCD na stole translacyjnym w płaszczyźnie obrazowania soczewki.Przed detektorem CCD należy umieścić filtr pasmowy w celu zablokowania światła tła. Elektrody powinny być widoczne przy zastosowaniu konfiguracji detektora CCD i soczewki. Następnie należy wyrównać wiązkę w pionie tak, aby przechodziła przez potencjał pułapkujący.Następnie monitoruj wiązkę i przesuń ją w stronę powierzchni pułapki. Przyjmij, że maksymalne rozproszenie wiązki oznacza, iż centrum wiązki znajduje się na powierzchni chipa. Teraz użyj przesuwki soczewki, aby przesunąć wiązkę na oczekiwaną wysokość potencjału pułapkującego.Po tej regulacji przesuń stoliki translacyjne soczewki obrazującej oraz CCD z powrotem o tę samą odległość i zanotuj położenie. Jest to schematyczny widok systemu w tym punkcie. Wiązka przechodzi przez przewidywaną pozycję pułapki.Kontynuuj po odblokowaniu dwóch pozostałych laserów i rozpocznij ich ustawianie. Wymień filtr pasmowy przed detektorem CCD na filtr pasmowy 399 nm. Następnie dostosuj pozycję soczewki obrazującej oraz detektora CCD, aby elektrody były wyraźne w obrazie CCD.Ustaw skolimowaną wiązkę o długości 399 nanometrów tak, aby weszła do komory próżniowej, rozprzestrzeniając się w kierunku przeciwnym do wiązki o długości 369,5 nanometra i nakładając się na nią. Wprowadź lustro oraz lustro dichroiczne, aby połączyć obie wiązki w taki sposób, by współbiegły wewnątrz komory. W celu przetestowania układu tymczasowo umieść lustro na drodze wiązki przed komorą i sprawdź nakładanie się wiązek za pomocą profilometru wiązki.Wprowadź soczewkę skupiającą zamontowaną na stole translacyjnym na drodze wiązki między lustrem dichroicznym a lustrem tymczasowym. Użyj profilometru wiązki, aby sprawdzić ogniskowanie obu wiązek. W tym przypadku oba lasery nie są skupione w tym samym punkcie, w którym powinny.Na koniec ustaw laser 935 nanometrów, aby doprowadzić do pokrycia się wiązek laserowych. Po wykonaniu tej czynności usuń tymczasowe lustro i upewnij się, że wiązka 399 nanometrów jest widoczna w CCD. Wyrównaj wiązkę w pionie z oczekiwaną pozycją pułapki, a następnie skieruj ją w stronę układu scalonego.Monitoruj obraz z matrycy CCD i powiąż maksymalną intensywność rozproszonego światła z centrowaniem wiązki na powierzchni chipa. Następnie przesuń wiązkę z powierzchni do przewidywanej pozycji pułapki. Po tym kroku przesuń soczewkę obrazującą oraz matrycę CCD z powrotem o tę samą odległość.Następnie ustaw laser o długości fali 399 nanometrów w pobliżu odpowiedniego przejścia dla itrebu 174. Monitoruj obraz z kamery CCD podczas włączania pieca z itrebem i zwiększania natężenia prądu. Wykonaj tę czynność, przesuwając częstotliwość lasera przez rezonans itrebu, aby zidentyfikować początek parowania poprzez obserwację fluorescencji.Zanotuj aktualną wartość tuż przed wystąpieniem fluorescencji i wyłącz piec. Przeprowadź końcowe przygotowania do pułapkowania jonów. Wróć do filtra pasmowego przy detektorze CCD i zastąp go filtrem pasmowym 369.5 nm.Dodatkowo należy dostosować położenie matrycy CCD oraz soczewki obrazującej dla ogniska o długości fali 368,5 nanometra. Ustaw napięcia dla przetwornika cyfrowo-analogowego sterującego elektrodami. Następnie przejdź do generatora RF podłączonego do rezonatora helikalnego.Włącz generator przy bardzo niskim ustawieniu mocy, a następnie stopniowo zwiększaj moc wyjściową. W komputerze sterującym laserem ustaw częstotliwości laserów oraz źródło prądu dla pieca na odpowiednie wartości. Po kilku minutach krótko zablokuj laser o długości fali 935 nanometrów na jedną lub dwie sekundy, aby rozpocząć test pułapkowania.Obserwuj pułapkę za pomocą kamery CCD. Jeśli jony zostaną uwięzione, szybkość rozpraszania znacznie spadnie, co będzie wyraźnie widoczne na obrazie. Kilkukrotnie zablokuj wiązkę lasera, aby sprawdzić, czy blokowanie koreluje ze zmianami obrazu.Po uwięzieniu jonów wyłącz piec. Ten kompozyt obrazów z kamery CCD z mnożeniem elektronów wskazuje położenie pięciu jonów ytterbu 174 1+ uwięzionych w mikrofabrykowanym układzie pułapki jonowej. Liczbę uwięzionych jonów można zmieniać poprzez modyfikację przyłożonych napięć DC.W tym filmie dotyczącym uwięzionych jonów, jony są manipulowane poprzez zmianę napięć DC pułapki. W filmie przedstawiono protokoły wytwarzania powierzchniowych pułapek jonowych oraz pułapkowania jonów izotopu itterbu 174. Procedurę tę można łatwo rozszerzyć na pułapkowanie jonów itterbu izotopu 171 i manipulację w stopniu kubicznym, dążąc w ostateczności do przetwarzania informacji kwantowych i obliczeń kwantowych.

experimental-methods-for-trapping-ions-using-microfabricated-surface

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

W niniejszym artykule przedstawiamy metodę ograniczania cząstek opartą na mikroprzepływach i przepływie hydrodynamicznym. Demonstrujemy stabilne pułapkowanie cząstek w punkcie stagnacji płynu przy użyciu mechanizmu sterowania sprzężeniem zwrotnym, co umożliwia ograniczanie i mikromanipulację dowolnymi cząstkami w zintegrowanym urządzeniu mikroprzepływowym.

Mikrofluidyczna pułapka hydrodynamiczna dla pojedynczych cząstek

Izotachforeza (ITP) jest wydajną elektrokinetyczną techniką rozdziału i prekonecentracji, znajdującą zastosowanie w wielu obszarach, od detekcji toksyn po przygotowanie próbek. W niniejszym opracowaniu omawiamy zasady fizyczne ITP oraz metodologię zastosowania tej techniki w dwóch konkretnych przykładach: rozdziału i detekcji małych cząsteczek oraz oczyszczaniu kwasów nukleowych z lizatu kultur komórkowych.

Izotachoforeza na chipie do rozdzielania jonów i oczyszczania kwasów nukleinowych

Poniższe podejście do konfiguracji szczegółowo opisuje pułapkowanie optyczne nanocząstek dielektrycznych o niskiej mocy z wykorzystaniem podwójnego nanootworu w cienkiej warstwie metalu.

Optyczne pułapkowanie nanocząsteczek

Miękkie lądowanie masowo wybranych jonów na powierzchniach jest skutecznym podejściem do wysoce kontrolowanego przygotowania nowych materiałów. W połączeniu z analizą za pomocą spektrometrii mas jonów wtórnych in situ (SIMS) i spektroskopii absorpcyjnej odbicia w podczerwieni (IRRAS), miękkie lądowanie zapewnia bezprecedensowy wgląd w interakcje dobrze zdefiniowanych gatunków z powierzchniami.

In Situ Spektroskopia SIMS i IR dobrze zdefiniowanych powierzchni przygotowanych przez miękkie lądowanie jonów o wybranej masie

Transportery w błonach komórkowych umożliwiają różnicową segregację jonów przez błony komórkowe lub warstwy komórkowe i odgrywają kluczową rolę podczas fizjologii, naprawy i patologii tkanek. Opisujemy jonoselektywną, samoreferencyjną mikroelektrodę, która umożliwia pomiar określonych strumieni jonów w pojedynczych komórkach i tkankach in vivo.

Pomiar zewnątrzkomórkowych strumieni jonów za pomocą techniki jonoselektywnych mikroelektrod samoreferencyjnych

Tutaj opisujemy wytwarzanie i działanie dwuwarstwowego systemu mikroprzepływowego wykonanego z polidimetylosiloksanu (PDMS). Pokazujemy potencjał tego urządzenia w zakresie wychwytywania, kierowania szlakiem koordynacyjnym krystalicznego materiału molekularnego i kontrolowania reakcji chemicznych na uwięzionych strukturach na chipie.

Mikroprzepływowe klatki pneumatyczne: nowatorskie podejście do wychwytywania kryształów w chipach, manipulacji i kontrolowanej obróbki chemicznej

Przedstawiono protokół do wystrzeliwania i stabilnego zatrzymywania wybranych mikrocząstek dielektrycznych w powietrzu.

Pułapka optyczna obciążenia mikrocząstek dielektrycznych w powietrzu

Przedstawiono tutaj proces produkcji mikroprocesorów, który wykorzystuje plazmoniczną pęsetę. Mikroczip umożliwia obrazowanie uwięzionej cząstki w celu zmierzenia maksymalnych sił wychwytywania.

Pułapkowanie plazmoniczne i uwalnianie nanocząstek w środowisku monitorowania

Opisano protokół dla nowatorskiej platformy polaryzacji stężenia jonów (ICP), która może zatrzymać rozprzestrzenianie się strefy ICP, niezależnie od warunków pracy. Ta unikalna zdolność platformy polega na wykorzystaniu łączącego się zubożenia i wzbogacania jonów, które są dwiema biegunowościami zjawiska ICP.

Łączenie polaryzacji stężenia jonów między zestawionymi membranami jonowymiennymi w celu zablokowania propagacji strefy polaryzacji

Ten protokół opisuje jonoforezę w czasie rzeczywistym, metodę, która mierzy parametry fizyczne przestrzeni zewnątrzkomórkowej (ECS) żywych mózgów. Dyfuzja obojętnej cząsteczki uwolnionej do ECS służy do obliczenia ułamka objętościowego ECS i krętości. Idealnie nadaje się do badania ostrych, odwracalnych zmian w ECS mózgu.

Jonoforeza w czasie rzeczywistym z tetrametyloamonem w celu ilościowego określenia frakcji objętościowej i krętości przestrzeni zewnątrzkomórkowej mózgu

Niniejszy artykuł opisuje metodę eksperymentalną osiągania długotrwałego, stabilnego uwięzienia i precyzyjnego pozycjonowania dużych metalicznych cząstek w powietrzu za pomocą dynamicznej, łódkowatej pułapki fotoforetycznej. System ten umożliwia kontrolowane manipulowanie, które nadaje się do badań interakcji plazmonowych.

Optyczne uwięzienie dużych metalicznych cząstek w powietrzu za pomocą pułapki 'łódka' z bezpośrednio rysowanymi ściankami bocznymi

Poznaj metody mikrofabrykacji powierzchniowych pułapek jonowych do wychwytywania jonów ytterbu w temperaturze pokojowej. Technologia ta ma kluczowe znaczenie dla przetwarzania informacji kwantowej.

Eksperymentalne metody wychwytywania jonów za pomocą mikrofabrykowanych powierzchniowych pułapek jonowych

Przeglądaj więcej filmów