Os métodos experimentais de armadilhagem sem crueldade íons usando Microfabricated íon armadilhas de superfície

O objetivo geral deste procedimento é preparar e demonstrar uma configuração experimental para capturar íons de itérbio que inclui um chip microfabricado. A tecnologia de armadilha de íons tem sido considerada uma das principais candidatas para a implementação física do processamento de informações quânticas. Este procedimento fornece os protocolos detalhados para microfabricar um chip aprisionado, bem como, para construir uma configuração experimental, para capturar íons, usando o chip armadilha microfabricado.

Os sistemas de armadilhas de íons desenvolvidos pela tecnologia de microfabricação oferecem grande potencial para processamento de informações quânticas e computação quântica. E os protocolos apresentados aqui guiarão o processo de fabricação e a criação de experimentos de armadilhas de íons. A demonstração visual deste método é crítica porque requer a orquestração de vários componentes, como lasers, sistemas de imagem, uma câmara de vácuo, eletrônica e microfabricação.

Para realizar o experimento, primeiro é necessário fabricar o chip de superfície aprisionado em íons. Este é um exemplo de um chip montado em um suporte que é usado nesta demonstração. As características do chip são representadas neste esquema, há um slot de carregamento, através do qual os átomos neutros são introduzidos.

Em ambos os lados do slot de carregamento, existem eletrodos de radiofrequência para confinar os íons em direções perpendiculares ao slot. As tensões CC nos eletrodos externos confinaram os íons ao longo deste slot. As tensões CC nos eletrodos internos ajudam a inclinar o eixo principal do potencial total.

Para o experimento, monte o chip embalado em uma câmara de ultra-alto vácuo. Nesse caso, o chip está no centro de uma câmara octogonal esférica. Os elementos do sistema de ultra-alto vácuo são representados nesta visão geral esquemática.

A bomba de íons e o getter não evaporativo podem atingir pressões abaixo de 3 x 10 até o 11º Torr. O octógono esférico inclui um forno cheio de átomos de itérbio. O octógono esférico é representado no centro deste esquema da configuração óptica final.

O chip microfabricado está no centro do octógono. As passagens permitem conexões elétricas aos eletrodos do chip no forno do octógono. Os elementos ópticos são dispostos de modo que três lasers de diodo produzam feixes que se sobrepõem na posição de aprisionamento.

Uma porta de visualização embutida no octógono esférico permite que uma lente de imagem fique próxima à superfície do chip. Imagem da superfície do chip com uma câmera CCD multiplicadora de elétrons. Conecte cabos multicanal a um conversor digital para analógico.

Conecte a outra extremidade dos cabos multicanal às passagens do octógono esférico. Além disso, faça a alimentação apropriada por meio de conexões a um ressonador helicoidal. Em seguida, trabalhe com o ressonador, um analisador de espectro e um acoplador direcional.

Conecte a saída do gerador de RF à saída do acoplador direcional. Em seguida, conecte a entrada do ressonador com a porta de entrada do acoplador direcional. Conecte a porta acoplada à entrada RF do analisador de espectro.

Termine a porta acoplada reversa, com um resistor de 50 ohms. Agora, prepare-se para ajustar a tampa do ressonador helicoidal. Defina a posição da tampa do ressonador helicoidal e, em seguida, escaneie as frequências do gerador para identificar a frequência na qual a reflexão é mínima.

Continue a ajustar o ressonador ajustando a posição da tampa. Enquanto isso, monitore a varredura de frequência para encontrar a frequência do mínimo global de potência refletida. Ao encontrar o mínimo global, trave a posição da tampa do ressonador.

Desligue o gerador de RF antes de continuar. Para continuar, tenha todos os lasers no lugar, estabilizados e bloqueados por segurança. Desbloqueie o laser de 369,5 nanômetros e colima o feixe.

O feixe deve se propagar em direção ao chip preso. Alinhe o feixe paralelo ao chip e quase tocando sua superfície. Use um cartão de feixe, oposto ao ponto de entrada do feixe para testar o alinhamento, ao redor do ponto, indica que o feixe não reflete em nenhuma superfície.

Em seguida, monte uma lente de foco em um estágio de tradução. Coloque a lente, de modo a focar o feixe próximo ao potencial de aprisionamento, ainda paralelo à superfície do chip. Passe a trabalhar com a óptica de imagem.

Escolha uma lente de imagem de alta abertura numérica montada em um estágio de tradução. Coloque-o na frente da janela embutida das câmaras de ultra alto vácuo. Esta é uma visão esquemática da configuração com a lente de imagem no lugar.

Em seguida, alinhe o feixe de laser, para que haja alguma dispersão da superfície do chip. Use um cartão de feixe como antes para verificar se o feixe está parcialmente bloqueado. Passe a colocar a placa de feixe perto do plano de imagem da lente de imagem.

Ajuste a posição da lente de imagem com um estágio de translação. A nova posição deve permitir que a luz difusa produza uma imagem nítida no cartão do feixe. Agora, coloque um CCD multiplicador de elétrons no estágio de translação no plano de imagem da lente.

Na frente do CCD, coloque um filtro passa-banda para bloquear a luz de fundo. Os eletrodos devem estar visíveis, usando o CCD e a configuração da lente. Em seguida, alinhe o feixe verticalmente para que ele passe pelo potencial de aprisionamento.

Em seguida, monitore o feixe e mova-o em direção à superfície do purgador. Suponha a dispersão máxima do feixe, significa que o centro do feixe está na superfície do cavaco. Agora, use o estágio de translação da lente para mover o feixe para a altura esperada do potencial de aprisionamento.

Após esse ajuste, mova os estágios de translação da lente de imagem e do CCD para trás na mesma distância e observe a posição. Esta é a visão esquemática do sistema neste momento. O feixe passa pela posição de armadilha esperada.

Continue depois de desbloquear os outros dois lasers e comece a alinhá-los. Substitua o filtro passa-banda na frente do CCD por um filtro passa-banda de 399 nanômetros. Em seguida, ajuste as posições da lente de imagem e do CCD para colocar os eletrodos em foco no CCD.

Alinhe o feixe colimado de 399 nanômetros para entrar na câmara de vácuo, propagando-se na direção oposta ao feixe de 369,5 nanômetros e sobrepô-lo. Introduza um espelho e um espelho dicróico para combinar os dois feixes para que eles se propaguem na câmara. Para teste, adicione temporariamente um espelho ao caminho do feixe antes da câmara e verifique a sobreposição do feixe com um perfilador de feixe.

Introduza uma lente de focagem em um estágio de translação no caminho do feixe entre os espelhos dicróico e temporário. Use o perfilador de feixe para verificar o foco dos dois feixes. Nesse caso, os dois lasers não estão focados no mesmo ponto que deveriam.

Por fim, alinhe o laser de 935 nanômetros para fazer com que os lasers coincidam. Feito isso, remova o espelho temporário e certifique-se de que o feixe de 399 nanômetros possa ser observado no CCD. Alinhe verticalmente o feixe com a posição de armadilha esperada e, em seguida, mova o feixe em direção ao chip.

Monitore a imagem CCD e associe a intensidade máxima da luz difusa, com o feixe sendo centralizado na superfície do chip. Em seguida, mova o feixe da superfície para a posição esperada da armadilha. Em seguida, mova a lente de imagem e o CCD para trás na mesma distância.

Em seguida, defina o laser de 399 nanômetros próximo à transição de itérbio 174 apropriada. Monitore a imagem CCD à medida que o forno com itérbio é ligado e a corrente é aumentada. Faça isso enquanto varre o laser através da ressonância de itérbio, para identificar o início da evaporação, observando a fluorescência.

Observe o valor atual imediatamente antes da fluorescência e desligue o forno. Faça a preparação final para reter os íons. Retorne ao filtro passa-banda no CCD e substitua-o por um filtro passa-banda de 369.5 nanômetros.

Além disso, ajuste as posições do CCD e da lente de imagem para o foco de 368,5 nanômetros. Defina as tensões para o conversor digital para analógico que controla os eletrodos. Em seguida, vá para o gerador de RF conectado ao ressonador helicoidal.

Ligue o gerador em uma configuração de potência muito baixa e aumente gradualmente a potência de saída. No computador de controle do laser, defina as frequências do laser e a fonte de corrente do forno para os valores apropriados. Após alguns minutos, bloqueie brevemente o laser de 935 nanômetros por um a dois segundos para iniciar um teste de aprisionamento.

Veja a armadilha com o CCD. Se os íons estiverem presos, a taxa de dispersão cai significativamente e a imagem é visivelmente afetada. Bloqueie o laser algumas vezes para verificar se o bloqueio se correlaciona com as alterações da imagem.

Assim que os íons estiverem presos, desligue o forno. Este composto de imagens CCD de multiplicação de elétrons sugere a localização de cinco íons de itérbio 174 1+ presos em um chip de armadilha de íons microfabricado. O número de íons aprisionados pode ser variado alterando as tensões CC aplicadas.

Neste vídeo de íons presos, os íons estão sendo manipulados variando as tensões CC da armadilha. Os protocolos para fabricação de armadilhas de íons de superfície e captura de íons isótopos de itérbio 174 foram apresentados neste vídeo. Este procedimento pode ser facilmente estendido para capturar íons de itérbio do isótopo 171 e manipular o estágio cúbico, avançando para o processamento de informações quânticas e a computação quântica.