Eksperymentalne metody wychwytywania jonów za pomocą mikrofabrykowanych powierzchniowych pułapek jonowych

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.