Eksperymentalne metody wychwytywania jonów za pomocą mikrofabrykowanych powierzchniowych pułapek jonowych

Ogólnym celem tej procedury jest przygotowanie i zademonstrowanie eksperymentalnego zestawu do wychwytywania jonów iterbu, który zawiera mikrowytwarzany chip. Technologia pułapek jonowych jest uważana za jednego z wiodących kandydatów do fizycznej implementacji kwantowego przetwarzania informacji. Procedura ta zapewnia szczegółowe protokoły mikrowytwarzania uwięzionego chipa, a także, w celu skonstruowania zestawu eksperymentalnego, wychwytywania jonów przy użyciu mikrofabrykowanego chipa pułapki.

Systemy pułapek jonowych opracowane w technologii mikrofabrykacji zapewniają ogromny potencjał w zakresie kwantowego przetwarzania informacji i obliczeń kwantowych. Przedstawione tutaj protokoły poprowadzą nas przez proces produkcji i przeprowadzania eksperymentów z pułapkami jonowymi. Wizualna demonstracja tej metody ma kluczowe znaczenie, ponieważ wymaga orkiestracji różnych komponentów, takich jak lasery, systemy obrazowania, komora próżniowa, elektronika i mikrofabrykacja.

Aby przeprowadzić eksperyment, należy najpierw wytworzyć chip uwięziony w jonach powierzchniowych. Jest to przykład chipa zamontowanego w nośniku, który jest używany w tej demonstracji. Cechy układu są przedstawione na tym schemacie, jest szczelina ładowania, przez którą wprowadzane są neutralne atomy.

Po obu stronach szczeliny ładunkowej znajdują się elektrody o częstotliwości radiowej, które zatrzymują jony w kierunkach prostopadłych do szczeliny. Napięcia stałe na elektrodach zewnętrznych zamknęły jony wzdłuż tej szczeliny. Napięcia stałe na elektrodach wewnętrznych pomagają przechylić główną oś całkowitego potencjału.

Na potrzeby eksperymentu zamontuj zapakowany chip w komorze ultra wysokiej próżni. W tym przypadku chip znajduje się w środku sferycznej komory ośmiokątnej. Elementy systemu ultra wysokiej próżni są przedstawione w tym schemacie.

Pompa jonowa i nieparujący getter mogą osiągać ciśnienia poniżej 3 x 10 do 11. Torr. W sferycznym ośmiokącie znajduje się piec wypełniony atomami iterbu. Sferyczny ośmiokąt jest przedstawiony w środku tego schematu końcowego układu optycznego.

Mikro-wyprodukowany chip znajduje się w środku ośmiokąta. Przepusty umożliwiają połączenia elektryczne z elektrodami wiórowymi w piecu oktagonalnym. Elementy optyczne są rozmieszczone w taki sposób, że trzy lasery diodowe wytwarzają wiązki, które nakładają się na siebie w pozycji pułapki.

Wgłębiony otwór obserwacyjny w sferycznym ośmiokącie pozwala na zbliżenie soczewki obrazowej do powierzchni chipa. Wyobraź sobie powierzchnię chipa za pomocą kamery CCD zwielokrotniającej elektrony. Podłącz wielokanałowe do konwertera cyfrowo-analogowego.

Podłącz drugi koniec wielokanałowych do przepustów sferycznego ośmiokąta. Ponadto należy wykonać odpowiednie połączenia zasilające z rezonatorem śrubowym. 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 sprzężony port przekierowania do wejścia RF analizatora widma.

Zakończ port sprzężony wstecznie rezystorem 50 omów. Teraz przygotuj się do regulacji spiralnej nasadki rezonatora. Ustaw położenie nasadki rezonatora spiralnego, a następnie zeskanuj częstotliwości generatora, aby określić częstotliwość, przy której odbicie jest minimalne.

Kontynuuj strojenie rezonatora, regulując pozycję nasadki. W międzyczasie monitoruj skanowanie częstotliwości, aby znaleźć częstotliwość globalnego minimum mocy odbitej. Po znalezieniu globalnego minimum zablokuj położenie nasadki rezonatora.

Wyłącz generator RF przed kontynuowaniem. Aby kontynuować, umieść wszystkie lasery na miejscu, ustabilizowaj je i zablokuj dla bezpieczeństwa. Odblokuj laser o długości fali 369,5 nanometra i skolimuj wiązkę.

Belka powinna rozchodzić się w kierunku uwięzionego chipa. Ustaw belkę równolegle do wióra i prawie dotykając jego powierzchni. Użyj karty belki, naprzeciwko punktu wejścia belki, aby przetestować wyrównanie, wokół punktu, wskazuje, że belka nie odbija się od żadnej powierzchni.

Następnie zamontuj soczewkę skupiającą na stoliku translacyjnym. Umieść soczewkę tak, aby skupić wiązkę w pobliżu potencjału pułapkowania, nadal równolegle do powierzchni wióra. Przejdź do pracy z optyką obrazową.

Wybierz obiektyw do obrazowania o dużej aperturze numerycznej zamontowany na stoliku translacyjnym. Umieść go przed wpuszczanym oknem komór ultra wysokiej próżni. Jest to schematyczny widok konfiguracji z założoną soczewką obrazowania.

Następnie wyrównaj wiązkę laserową, aby nastąpiło pewne rozproszenie z powierzchni wióra. Użyj karty belki, jak poprzednio, aby sprawdzić, czy belka jest częściowo zablokowana. Przejdź dalej, aby umieścić kartę wiązki w pobliżu płaszczyzny obrazu soczewki obrazowej.

Dostosuj położenie soczewki obrazowej za pomocą etapu translacji. Nowa pozycja powinna pozwolić rozproszonemu światłu na wytworzenie ostrego obrazu na karcie wiązki. Teraz umieść CCD mnożący elektrony na stoliku translacyjnym w płaszczyźnie obrazowania soczewki.

Przed matrycą CCD umieść filtr pasmowoprzepustowy, aby zablokować światło tła. Elektrody powinny być widoczne, przy użyciu CCD i zestawu soczewek. Następnie ustaw wiązkę pionowo tak, aby przeszła przez potencjał pułapkowania.

Następnie monitoruj wiązkę i przesuń ją w kierunku powierzchni pułapki. Załóżmy, że maksymalne rozproszenie wiązki oznacza, że środek wiązki znajduje się na powierzchni wióra. Teraz użyj etapu translacji soczewki, aby przesunąć wiązkę na oczekiwaną wysokość potencjału pułapkowania.

Po tej regulacji przesuń etapy translacji soczewki obrazowej i CCD z powrotem o tę samą odległość i zanotuj pozycję. To jest schematyczny widok systemu w tym momencie. Belka przechodzi przez oczekiwane położenie pułapki.

Kontynuuj po odblokowaniu pozostałych dwóch laserów i rozpocznij ich wyrównywanie. Wymień filtr pasmowoprzepustowy przed przetwornikiem CCD na filtr pasmowo-przepustowy 399 nanometrów. Następnie dostosuj pozycję soczewki obrazowej i CCD, aby ustawić ostrość elektrod na CCD.

Ustaw skolimowaną wiązkę o długości 399 nanometrów, aby weszła do komory próżniowej, rozchodząc się w kierunku przeciwnym do wiązki 369,5 nanometra i zachodząc na nią. Wprowadź lustro i lustro dichroiczne, aby połączyć dwie wiązki, aby współrozprzestrzeniały się w komorze. W celu przeprowadzenia testów należy tymczasowo dodać lustro do ścieżki wiązki przed komorą i sprawdzić, czy belka nakłada się na siebie za pomocą profilera belki.

Wprowadzić soczewkę skupiającą na etapie translacji na ścieżce wiązki między zwierciadłami dichroicznymi i tymczasowymi. Użyj profilera wiązki, aby sprawdzić ostrość dwóch wiązek. W takim przypadku oba lasery nie są skupione w tym samym punkcie, w którym powinny.

Na koniec ustaw laser o długości 935 nm, aby lasery znalazły się w zbieżności. Po wykonaniu tej czynności usuń tymczasowe lustro i upewnij się, że wiązka o długości 399 nanometrów może być obserwowana w CCD. Wyrównaj belkę w pionie z oczekiwaną pozycją pułapki, a następnie przesuń belkę w kierunku wióra.

Monitoruj obraz CCD i skojarz maksymalne natężenie rozproszonego światła z wiązką wyśrodkowaną na powierzchni chipa. Następnie przesuń belkę z powierzchni do oczekiwanego położenia pułapki. Następnie przesuń soczewkę obrazowania i matrycę CCD do tyłu na tę samą odległość.

Następnie ustaw laser o długości fali 399 nm w pobliżu odpowiedniego przejścia iterbu 174. Monitoruj obraz CCD, gdy piekarnik z iterbem jest włączony, a prąd wzrasta. Zrób to, przetaczając laser przez rezonans iterbu, aby zidentyfikować początek parowania, obserwując fluorescencję.

Zanotuj aktualną wartość tuż przed fluorescencją i wyłącz piekarnik. Przygotuj się na ostateczne przygotowanie do zatrzymywania jonów. Wróć do filtra pasmowoprzepustowego na CCD i zastąp go filtrem pasmowo-przepustowym 369,5 nanometra.

Ponadto dostosuj pozycje matrycy CCD i soczewki obrazowej do ustawiania ostrości 368,5 nanometra. Ustaw napięcia dla przetwornika cyfrowo-analogowego sterującego elektrodami. Następnie przejdź do generatora RF podłączonego do rezonatora śrubowego.

Włącz generator na bardzo niskim ustawieniu mocy i stopniowo zwiększaj moc wyjściową. W komputerze sterującym laserem ustaw częstotliwości lasera i źródło prądu pieca na odpowiednie wartości. Po kilku minutach na krótko zablokuj laser 935 nm na jedną do dwóch sekund, aby rozpocząć test pułapki.

Wyświetl pułapkę za pomocą CCD. Jeśli jony zostaną uwięzione, szybkość rozpraszania znacznie spada, a obraz jest zauważalnie dotknięty. Zablokuj laser kilka razy, aby sprawdzić, czy blokowanie koreluje ze zmianami obrazu.

Gdy jony zostaną uwięzione, wyłącz piekarnik. Ta kompozycja obrazów CCD mnożących elektrony sugeruje lokalizację pięciu jonów iterbu 174 1+ uwięzionych w mikro-sfabrykowanym chipie pułapki jonowej. Liczbę uwięzionych jonów można zmieniać, zmieniając przyłożone napięcia DC.

Na tym filmie z uwięzionymi jonami, jony są manipulowane poprzez zmianę napięcia DC pułapki. Protokoły wytwarzania powierzchniowych pułapek jonowych i wychwytywania jonów izotopu iterbu 174 zostały przedstawione w tym filmie. Procedurę tę można łatwo rozszerzyć w celu wychwytywania jonów iterbu izotopu 171 i manipulowania sceną sześcienną, ostatecznie przechodząc w kierunku kwantowego przetwarzania informacji i obliczeń kwantowych.