Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Eksperimentelle metoder for overlapping ioner bruker Microfabricated overflaten Ion feller

Published: August 17, 2017 doi: 10.3791/56060
Automatic Translation
1, 1, 2, 1, 2
1ISRC/ASRI, Department of Electrical and Computer Engineering, Seoul National University, 2Quantum Tech. Lab, SK Telecom

Summary

Dette dokumentet presenterer en microfabrication metode for overflate ion feller, samt en detaljert eksperimentelle prosedyren for overtrykk ytterbium ioner i romtemperatur omgivelser.

Abstract

Ioner fanget i en quadrupole Paul felle har vært betraktet som en av de sterke fysiske kandidatene å implementere quantum informasjonsbehandling. Dette er på grunn av sin lange sammenheng tid og deres evne til å manipulere og oppdage personlige kvantifisere biter (qubits). I de senere årene fått microfabricated overflaten ion feller mer oppmerksomhet for store integrerte FROLINA plattformer. Dette dokumentet presenterer en microfabrication metode for ion feller bruker micro-Elektromekanisk system (MEMS) teknologien, inkludert metoden fabrikasjon for 14 µm tykke dielektrisk lag og metall overheng strukturer på toppen av dielektrisk lag. I tillegg er en eksperimentell prosedyre for overlapping ytterbium (Yb) ioner av isotop 174 (174Yb+) med 369.5 nm, 399 nm, og 935 nm diode laser er beskrevet. Disse metoder og prosedyrer involvere mange vitenskapelige og tekniske fagfelt, og dette dokumentet presenterer første detaljerte eksperimentelle prosedyrer. Metodene som er beskrevet i dette dokumentet kan enkelt utvides overtrykket Yb ioner av isotop 171 (171Yb+) og manipulering av qubits.

Introduction

En Paul felle kan begrense ladede partikler, inkludert ioner tomrom, bruke en kombinasjon av en statisk elektrisk felt og et varierende elektrisk felt svingte med radiofrekvens (RF), og kvantetilstander ioner i fellen kan måles og kontrollert1,2,3. Slike ion feller ble opprinnelig utviklet for nøyaktige målinger programmer, inkludert optisk klokker og masse spectroscopy4,5,6. De siste årene utforsket disse ion feller også aktivt som en fysisk plattform å implementere informasjonsbehandling quantum tilskrives ønskelig egenskaper fanget ioner, som lenge sammenheng ganger, ideelle isolasjon i en ultra-høy vakuum (UHV) miljø og muligheten for individuelle FROLINA, manipulasjon,7,,8,,9,,10. Siden Kielpinski et al. 11 foreslått en skalerbar ion-felle arkitektur som kan brukes til å utvikle quantum datamaskiner, ulike typer overflaten feller, inkludert veikryss feller12,13, flere sone fellen chips14og 2D-matrise feller15,16,17, har blitt utviklet ved hjelp av halvleder prosessen-avledet microfabrication metoder18,19,20,21 . Store quantum informasjonsbehandling systemer basert på overflaten feller har også vært diskutert22,23,24.

Dette dokumentet presenterer eksperimentelle metoder for overtrykk ioner bruker microfabricated overflaten ion feller. Mer spesifikt, en prosedyre for fabrikasjon overflaten ion feller og en detaljert fremgangsmåte for overtrykk ioner bruker fabrikkerte fellene er beskrevet. I tillegg tilbys detaljerte beskrivelser av ulike praktiske teknikker for eksperimentell systemet og fangst ioner i Tilleggsdokument.

Metode for microfabricating en overflate ion felle er gitt i trinn 1. Figur 1 viser en forenklet skjematisk av en overflate ion felle. Elektrisk feltene som genereres av spenningen på elektrodene i tverrgående flyet vises også25. En RF spenning på par RF elektroder, mens alle andre elektroder holdes i RF bakken; den ponderomotive potensielle26 generert av RF spenning begrenser ioner radial retning. Likespenning (DC) spenningen på flere DC elektrodene utenfor RF elektrodene begrense ioner langsgående retning. Indre skinnene mellom RF elektrodene er laget for å vippe viktigste aksene av totale potensialet i tverrgående flyet. Metode for å utforme et DC spenning sett er inkludert i Tilleggsdokument. I tillegg finnes flere detaljer for utforming av de viktigste geometriske parametrene overflaten ion-felle chips i27,28,29,30,31.

Metoden fabrikasjon introdusert i trinn 1 ble utformet vurderer følgende aspekter. Først skal den dielektrisk lag mellom elektrode laget og bakken laget være tilstrekkelig tykke å hindre elektrisk breakdown mellom lagene. Vanligvis skal tykkelsen over 10µm. Under avsetning av tykke dielektrisk lag, kan gjenværende stress fra avsatt filmene forårsake bukker substrat eller skader avsatt filmene. Dermed er kontrollere gjenværende stress en av de viktigste teknikkene i fabrikasjon av overflaten ion fellene. Andre bør eksponering av dielektrisk overflater til stillingen som ion minimaliseres fordi spredt kostnader kan indusert dielektrisk materiale ved spredte ultrafiolett (UV) lasere, som i tur fører til en tilfeldig forskyvning av ion posisjon. Eksponert område kan reduseres ved å utforme overheng elektrode strukturer. Det har blitt rapportert at overflaten ion feller med elektroden overheng er resistente mot lading under typisk eksperimentelle forhold32. Tredje, alle materialer, inkludert ulike avsatt filmer, skal kunne tåle 200 ° C bakervarer i ca 2 uker, og mengden av askepartikler fra alle materialer skal være kompatibelt med UHV miljøer. Utformingen av overflaten ion-felle chips microfabricated i denne artikkelen er basert på felle design33, som ble brukt i ulike eksperimenter32,33,34, 35. Merk at denne design inkluderer et spor i midten av brikken for lasting nøytrale atomer, som senere Foto-ionisert overlapping.

Etter fabrikasjon av ion-felle chip, er chip montert og elektrisk koblet til chip bærer med gull bånd ledninger. Chip transportøren installeres i en UHV kammer. En detaljert prosedyre for å forberede en felle flis pakke og utformingen av UHV kammeret tilbys i Tilleggsdokument.

Utarbeidelse av optisk og elektrisk utstyr, samt eksperimentelle prosedyrene for overtrykk ioner, er forklart i detalj i trinn 2. Ioner fanget av ponderomotive potensielle er vanligvis utsatt for svingninger i omkringliggende elektriske feltet som kontinuerlig øker den gjennomsnittlige kinetiske energien til ioner. Laser kjøling basert på Doppler Skift kan brukes å fjerne overskytende energien fra bevegelsene til ionene. Figur 2 viser forenklet energinivået diagrammene et 174Yb+ ion og en nøytral 174Yb atom. Doppler kjøling 174Yb+ ioner krever en 369.5-nm laser og en 935-nm laser, mens Foto-ionisering nøytral 174Yb atomer krever en 399-nm laser. 2.2 og 2.3 beskrivelse effektiv metode for å justere disse lasere overflaten ion-felle chip og en prosedyre for å finne riktig betingelsene for foto-ionisering: Etter de optiske og elektriske komponentene er forberedt, er fangst ioner relativt enkelt. Eksperimentell rekkefølgen for overtrykk ioner vises i trinn 2.4.

Protocol

1. fabrikasjon av Ion-felle flis pakke

  1. Microfabrication av overflaten ion-felle chip.
    Merk: Prosessen betingelsene beskrevet i denne delen gir bare en grov referanse, siden optimale parametere for hver prosess kan variere betydelig for ulike utstyr. Temperaturer gis bare for høy temperatur prosesser, som oksidasjon og kjemiske damp deponering. Fabrikasjon prosessen er utført med 100 mm-diameter silisiumskiver.
    1. Forberede en enkelt krystallinsk silisium wafer med en tykkelse på 500-525 µm og rense den med piranha løsning for 15 min.
    2. Termisk oksidere silisium kjeks i en ovn rør til 0,5 µm tykke SiO 2 dielektrisk lag på begge sider.
      Merk: Disse lagene kan elektrisk isolere silisium underlaget fra bakken lag. Parameterne prosessen brukes i våt-oksidasjon var: O 2 strømningshastighet på 6500 sccm, N 2 strømningshastighet på 5000 sccm, H 2 strømningshastighet på 7000 sccm, behandle temperatur på 900 ° C og behandle tid 4.5 h (se tabellen Materialer for utstyr detaljer).
    3. Innskudd 0,2 µm tykke Si 3 N 4 lag på begge sider av kjeks bruker en lavt trykk kjemiske damp avsetning (LPCVD) ( figur 3a) for å beskytte termisk oksid lagene under den våt-etsing-prosessen som er vist i Figur 3 k.
      Merk: Prosessen parametere brukt i LPCVD er: H 2 SiCl 2 strømningshastighet på 30 sccm, NH 3 strømningshastighet på 100 sccm, presset av 200 mTorr, og prosessen temperaturen 785 ° c. Dette resulterer i en avsetning rate på 40 Å / min (se Tabell for materiale for utstyr detaljer).
    4. Sette en 1,5 µm tykke Al/Cu (1%) lag på kjeks bruker en sputtering prosess og følgende parametere: Ar strømningshastighet på 40 sccm, presset av 2 mTorr og RF power 300 W.
      Merk: Dette resulterer i en avsetning rate på 130 Å / min (se Tabell for materiale for utstyr detaljer).
      Merk: Dette gir et grunnplan for å hindre RF tap gjennom silisium underlaget og gir kontaktpunkter for wire-binding pads. Aluminiumslegering med 1% kobber brukes til å hindre whisker formasjon under bakeprosessen å oppnå et UHV miljø. Denne sammensetningen er avgjørende for whisker forebygging.
    5. Spinne et 2 µm tykke positiv photoresist lag på kjeks og lithographically mønster for å definere RF skjerming flyet og wire bånd pads.
      Merk: Prosessen parameterne for 2 µm tykke photoresist er: spin hastigheten på 5000 rpm, spinne tid 40 s, før bake temperatur på 95 ° C, før bake tid 90 s, eksponering energi 144 mJ/cm 2, utvikle tid 60 s, etter bake temperatur på 110 ° C, og etter bake tid på 5 min (se Tabell for materiale for kjemisk og utstyr).
    6. Mønster 1.5 µm tykke Al/Cu (1%) lag bruker en konvensjonell tørr-etsing (reaktive ion etsing (RIE) eller induktiv kombinert plasma (ICP) etsing), med photoresist mønster trinn 1.1.5 som etsing masken.
      Merk: En ICP etcher bør brukes med følgende prosess parametere: BCl 3 strømningshastighet på 20 sccm, Cl 2 strømningshastighet på 30 sccm, presset av 5 mTorr og RF kraft på 750 W. Dette resulterer i en etch rate på 3.600 Å/min (se Tabell for materiale for utstyr detaljer).
    7. Fjerne photoresist brukes i 1.1.6 usung en O 2 plasma Foraskning trinn ( figur 3b).
      Merk: Prosessen parametrene for Foraskning prosessen er: O 2 strømningshastighet på 150 sccm, presset av 0,75 mTorr og RF power på 300 W (se Tabell for materiale for utstyr detaljer).
    8. Innskudd et 14 µm tykke SiO 2 lag på begge sider av kjeks med plasma forbedret kjemiske damp avsetning (PECVD) prosesser ( Figur 3 c).
      Merk: Prosessen parametere brukt i PECVD er: SiH 4 strømningshastighet på 540 sccm, presset av 1,9 Torr, prosessen temperaturen på 350 ° C og RF kraft på 750 W. Dette resulterer i en avsetning rate på 3000 Å / min (se Tabell for materiale for utstyr detaljer). Siden innskudds 14 µm tykke SiO 2 laget er en av de vanskeligste prosessene, detaljene er ytterligere beskrevet i diskusjonen.
    9. Spinne et 6 µm tykke positiv photoresist lag foran kjeks og lithographically mønster for å definere via-hull for å koble elektrisk DC elektroder til wire bånd pads.
      Merk: Prosessen parameterne for den 6 µm tykke photoresist er: spin hastigheten på 5000 rpm, spin tid 40 s, før bake temperatur på 95 ° C, før bake tid på 5 min, eksponering energi 900 mJ/cm 2, utvikle tid 10 min, etter bake temperaturen på 110 ° C, og etter bake tid på 5 min (se Tabell for materiale for kjemisk og utstyr).
    10. Mønster 14 µm tykke SiO 2 laget foran kjeks med en konvensjonell RIE prosess, med photoresist mønster i trinn 1.1.9 som etsing masken.
      Merk: Prosessen parameterne for SiO 2 etsing er: CHF 3 strømningshastighet på 25 sccm, CF 4 strømningshastighet på 5 sccm, Ar strømningshastighet på 50 sccm, presset av 130 mTorr og RF power 600 W. Dette resulterer i en etch rate på 3.600 Å/min (se Tabell for materiale for utstyr detaljer).
    11. Fjerne photoresist brukt i trinn 1.1.10 med en O 2 plasma Foraskning prosess. Dyppe kjeks i et oppvarmet løsemiddel eller sonicate det før Foraskning ( figur 3d).
    12. Spinne et 6 µm tykke positiv photoresist lag på baksiden av kjeks og lithographically mønster for å danne en oksid vanskelig maske for dypt reaktive ion etsning (DRIE) av silisium substrat ( figur 3j).
    13. Mønster 14 µm tykke SiO 2 lag på baksiden av kjeks med en konvensjonell RIE prosess, photoresist mønster i trinn 1.1.12 som etsing masken.
    14. Fjerne photoresist brukt i trinn 1.1.13 med en O 2 plasma Foraskning prosess ( figur 3e).
    15. Sette en 1,5 µm tykke Al/Cu (1%) lag, som brukes som elektroden bruker en sputtering.
    16. Innskudd et 1 µm tykke SiO 2 lag på kjeks bruker en PECVD ( figur 3f).
    17. Spinne et 2 µm tykke positiv photoresist lag på kjeks og lithographically mønster for å definere elektrodene.
    18. Pattern 1.5 µm tykke Al/Cu (1%) Lag og 1 µm tykke SiO 2 laget med en konvensjonell ICP etsing prosess som photoresist mønster i trinn 1.1.17 som etsing masken.
    19. Fjerne photoresist brukt i trinn 1.1.18 med en O 2 plasma Foraskning prosess ( Figur 3 g).
    20. Spinne et 6 µm tykke positiv photoresist lag på kjeks og lithographically mønster for å definere 14 µm tykke oksid pilar mønstrene.
    21. Mønster 14 µm tykke SiO 2 lag med en konvensjonell RIE prosess, photoresist mønster i trinn 1.1.20 som etsing masken.
    22. Fjerne photoresist brukt i trinn 1.1.21 med en O 2 plasma Foraskning prosess ( Figur 3 h).
    23. Spinne et 6 µm tykke positiv photoresist lag på kjeks og lithographically mønster for å utsette lasting sporet.
    24. Mønster SiO 2 og Si 3 N 4 lag med en konvensjonell RIE prosess, med photoresist mønster trinn 1.1.23 etsing masken.
    25. Fjerne photoresist brukt i trinn 1.1.24 med en O 2 plasma Foraskning prosess ( figur 3i).
    26. Mønster silisium underlaget fra baksiden av kjeks bruker en DRIE ( figur 3j).
      Merk: Etch dybden bør måles gjentatte ganger for å hindre inntrengning av silisium underlaget fra baksiden. Målet etse dybde er omtrent 450-470 µm. DRIE prosessen ble utført med gjentakelser C 4 F 8 program for 5 s, C 4 F 8 etse for 3 s, og Si etse 5 s. I C 4 F 8 deponering trinn strømningshastigheter C 4 F 8, var SF 6 og Ar 100, 0,5 og 30 sccm, henholdsvis. Merk at Ar brukes til å akselerere etch frekvensen av C 4 F 8 og Si, men det er også brukt i C 4 F 8 deponering trinn med samme infusjonshastigheten, å stabilisere trykket tilstand. I C 4 F 8 etch trinn, flyt priser ble endret til 0,5, 50 og 30 sccm, henholdsvis. I Si etse trinn, flyt priser 0,5, 100 og 30 sccm, henholdsvis ble brukt. RF power og chamber Press ble satt til 825 M og 23 mTorr i alle trinn. For disse forholdene, etch frekvensen av Si var 1 µm for hver løkke (se Tabell for materiale for utstyr detaljer).
    27. Terninger kjeks i 10 mm x 10 mm biter bruker en dicing maskin.
    28. Koble dicing tapen fra dø av dipping det i aceton for 5 min. ren dør av dipping det i kjører deionisert (DI) vann for 10 min og isopropylalkohol (IPA) for 2 min. tørke det i 2 minutter på 110 ° C.
    29. Etch sideveggene av oksid pilarene å dikte elektrode overheng strukturer ved hjelp av en oksid våt etsing prosessen for 60 s i en bufret oksid etsematerialer (BOE), som er (NH 4 F:HF = 6:1) ( Figur 3 k). Rengjør dør ved dyppe den i rennende DI vann for 10 min og IPA for 2 min. tørke det i 2 minutter på 110 ° C.
    30. Trenge slit-formet ion lasting hull fra fronten av terningen bruker en DRIE.
      Merk: Fabrikasjon prosessen med ion-felle chips er fullført på dette trinnet ( Figur 3 l).

2. Utarbeidelse av optisk og elektrisk utstyr og fangst ioner

Merk: fabrikkerte felle chip er pakket med en chip operatør, og chip transportøren er installert i en UHV kammer. Mens prosedyrer for fabrikasjon felle-chip pakken og forberede UHV kammeret tilbys i Tilleggsdokument, i denne delen beskrives detaljene definere optisk og elektrisk utstyr og overlapping ioner.

  1. Utarbeidelse av strømnettet.
    1. Koble en flerkanals digital til analog omformer (DAC) å feedthrough på baksiden av UHV kammeret til spenning gjelder tilsvarende DC kontroll elektrodene.
      Merk: Figur 4 viser et eksempel på spenningen på felle chip. Detaljert metoden for utforme slike DC spenning er beskrevet i Tilleggsdokument.
    2. Koble en strømkilde til en ovn pin i feedthrough på baksiden.
    3. Legge til en retningsbestemt kopling mellom en RF-generator og den spiralformede resonator. Koble signalet fra RF generator til utdataporten av retningsbestemt kabelendene. Også koble retningsbestemt kabelendene inn porten til input-porten på den spiralformede resonator.
      Merk: Denne konfigurasjonen tillater overvåking reflektert kraften fra spiralformede resonator 36.
    4. Juster plasseringen av spiralformede resonator cap og skanne frekvensen av generatoren for å finne frekvensen som refleksjon er minst. Gjenta dette trinnet til global minimum finnes.
      Merk: Frekvensen minst globale er resonansfrekvensen. Bruk et spektrum Analyzer med en sporing generator alternativ eller måling av parameteren S 11 med en network analyzer kan forenkle skanneprosessen for minimum refleksjon. Hvis noen av de elektriske tilkoblingene med DAC spenningskilde eller strømkilde for ovnen endres, impedans på RF feedthrough endres og resonansfrekvensen flyttes.
    5. Slå av RF generatoren.
      Forsiktig: Når den spiralformede resonator søker høy RF spenning til fellen, endre ikke alle elektriske tilkoblinger som kan føre til impedans endringer. Plutselig impedans endringer kan enkelt brenne bonding ledningene av chip.
  2. Justering av 369.5 nm laser og tenkelig system.
    1. Collimate 369.5-nm laser fra en optisk fiber med en collimator og prøver å matche høyden på collimator fra overflaten av tabellen optisk høyden på chip; gjøre strålen utbrede vannrett.
    2. Angi spre retning collimated 369.5-nm strålen mot felle chip, gjennom enten venstre eller høyre viewport av UHV kammeret, som vist i figur 5. Grovt justerer slik at laserstrålen overfører parallell til felle-chip overflaten og nesten berører overflaten av chip.
    3. Montere en fokus linse for 369.5-nm laser på en oversettelse scene. Plass fokus linsen spre retning slik at laseren vil være fokusert i overlapping posisjonen på havoverflaten chip og slik at fokusert laser overfører langs felle-chip overflaten. Juster plasseringen av fokus linsen med oversettelse scenen; plasseringen av laser strålen fokus vil følge bevegelse av fokus linsen.
    4. Sted en høy-numerisk-tenkelig blenderåpning montert på en oversettelse scene foran UHV kammeret, vurderer avstanden fra chip overflaten ( figur 5).
    5. Justere 369.5-nm strålen med felle-chip overflaten slik at det er noen laser spredning fra chip overflaten.
      Merk: Spredte lys samlet av tenkelig linsen vil danne en svak bilde rundt bildet flyet av linsen. Dette bildet kan vanligvis observeres selv med fluorescerende papir når området er tilstrekkelig mørke.
    6. Juster plasseringen av tenkelig linsen til bildet på fluorescerende papiret blir skarpe.
    7. Sted en elektron-multiplisert belastet-kombinert enhet (EMCCD) montert på en oversettelse scenen, vurderer hvor tenkelig flyet av linsen, funnet i forrige trinn.
    8. Montere et infrarødt (IR) filter foran EMCCD blokkere svart kropp stråling fra ovnen når ovnen varmes for fordampning.
    9. Montere en 369.5-nm Båndpassdesign filter foran EMCCD blokkere bakgrunn lys.
    10. Sammenlign bildet av EMCCD med utformingen av elektrodene. Juster plasseringen av EMCCD og bilde linsen til elektrodene kan ses med EMCCD. Justere både tenkelig linsen og EMCCD til bildet blir skarpe.
    11. Identifisere hvilke elektroder vises i EMCCD og justere EMCCD å matche sentrum til forventet overlapping plasseringen.
    12. Juster 369.5-nm strålen loddrett slik at det vil passere gjennom overlapping stilling. For å finne ut avstanden mellom midten av strålen og felle overflaten, Flytt strålen mot felle overflaten til spredning av strålen er maksimert.
      Merk: Etter trinn 2.2.12, det kan antas at midten av strålen er riktig på chip overflaten.
    13. Numerisk simuleringen felle potensielle 29 finne forventet høyden på ion overlapping posisjonen fra chip overflaten. Flytte 369.5 nm strålen fra chip overflaten av forventet høyden bruker mikrometer av linsen oversettelse scenen. Flytte tenkelig linsen og EMCCD tilbake med samme avstand. Skriv ned mikrometer målingene av tenkelig linsen og EMCCD.
  3. Justering av 399 nm og 935 nm lasere og ovn test
    1. Erstatte de 369.5 nm Båndpassdesign filter med en 399 nm Båndpassdesign filter. Finne forskjellen mellom brennvidden på 399-nm lys og 369.5-nm lys fra kromatisk aberrasjon numeriske simuleringen av tenkelig linsen. Justere langsgående plasseringen av tenkelig linsen og EMCCD å gjøre 399-nm fokusert på EMCCD.
    2. Collimate 399 og 935 nm bjelker, levert av optisk fiber, med de respektive collimators, og justere høyden av fiber collimators tilsvarer høyden på chip å gjøre begge bjelker utbrede vannrett.
    3. Juster 399 nm strålen mot felle-chip overflaten gjennom en annen visningsområdet slik at 399 nm laser er spre i motsatt retning fra 369.5 nm laseren. Prøve å gjøre de collimated 399 nm laser overlapping med fokusert 369.5 nm laser.
    4. Kombinerer collimated 935 nm strålen med collimated 399 nm laser med en dichroic speil og justerer 935 nm strålen slik at 935 nm laser co forplanter med 399-nm laser. For å sjekke hvor godt to bjelker overlapper med hverandre, avlede de to bjelkene med midlertidige speil før de tre inn i kammeret og måle plasseringen av bjelker langs banen bjelke en bjelke profiler eller et pinhole. Hvis plassen er utilstrekkelige for å plassere midlertidige speilet mellom kammeret og fokus linsen, kan du vurdere å sette optisk oppsettet på en liten optisk brødfjel; graden av overlapping kan kontrolleres på et eget sted.
    5. Montere en fokus linse for begge lasere på en annen scene og sette fokus linsen mellom det dichroic speilet og midlertidige speilet. Beregne avstanden fra midlertidig speilet til overlapping plasseringen og justere plasseringen av fokus linsen slik at 399 nm laser er fokusert på overlapping posisjonen ( figur 6b).
    6. Sjekk om fokus på 399 nm laser sammenfaller med fokus på 935 nm laser. Hvis to fokuspunktene ikke overlapper, fint justere 935 nm laser.
    7. Fjerner midlertidige speilet i 399 nm laser banen. Se spor av 399 nm laser på chip overflaten med EMCCD. Hvis ingen spor av 399 nm laserstrålen kan observeres, flytte 399 nm strålen stien rundt brikken. Også litt justere avstanden mellom kammeret og tenkelig objektivet til bildet av chip overflaten blir skarpe.
    8. Juster spor av 399 nm bjelken på chip overflaten slik at den forventede overlapping plasseringen. Lik 369.5 nm strålen justeringen, flytte 399-nm strålen mot chip overflaten til lysintensiteten spredte blir maksimert.
    9. Flytte 399 nm laserstrålen fra overflaten chip ved samme høyden i trinn 2.2.13 bruker en mikrometer. Flytte tenkelig linsen og EMCCD tilbake med samme avstand.
    10. Sette midlertidig speilet som brukes i trinnet 2.3.4 tilbake. Gjenta trinn 2.3.6 og deretter fjerne midlertidige speilet.
      Merk: Etter trinn 2.3.10,-935 nm laser, kan antas å være gjennomreise overlapping posisjonen på chip havoverflaten.
    11. Angi bølgelengden til 399 nm laser nær 1 S 0-1 P 1 overgangen av 174 Yb (751,526 GHz). Slå på gjeldende for ovnen fylt med naturlig forekommende Yb og gradvis øke gjeldende.
      Merk: vanligvis fordampning starter ikke nødvendigvis på samme dagens funnet av den gjenværende gass analyzer (RGA), som beskrevet i Tilleggsdokument, så prøve forskjellige gjeldende verdier til fordampning er observert. Bare når nøytral Yb atomene begynner å fordampe og hyppigheten av laser er resonant med 1 S 0-1 P 1 overgangen til en av Yb isotoper, den nøytrale Yb atomer begynner å absorbere laser lys og re slippe den slik at fluorescens fra Yb kan observeres med EMCCD. Vanligvis er resonans frekvensene målt ved en bølgelengde meter flyttet fra den nominelle verdier, alt fra titalls til hundrevis av MHz. For hver gjeldende innstilling, skanning laser frekvensen med en span rekke 1 GHz og et skritt på mindre enn 50 MHz anbefales derfor.
    12. Når den resonans fluorescensen av naturlig forekommende ovnen er observert, redusere gjeldende til fluorescensen ikke kan observeres.
    13. Scan laser rundt første resonansfrekvensen og skriv ned hvor mye fluorescens ved hver resonans. Sammenligne distribusjon av fluorescens styrken og avstanden mellom resonanser med verdiene fra 37. Identifisere resonans frekvenser for forskjellige isotoper.
      Merk: Resonansen av 174 Yb har blitt målt for å være ca 751.52646(2) THz. Men denne verdien er litt forskjøvet Dopplereffekten og målt verdien kan variere avhengig av nøyaktigheten av bølgelengde måleren.
  4. Overlapping ioner.
    1. Erstatte 399 nm Båndpassdesign filter med 369.5 nm Båndpassdesign filter og flytte tenkelig linsen og EMCCD tilbake til posisjon hentet i trinn 2.2.13 slik at 369.5-nm fluorescens fra fanget ioner kan avbildes på EMCCD. Kontrollere justeringen av alle lasere én gang ved å gjenta trinn 2.2.12 og bruke UV og IR vise kortene for visuell inspeksjon av bjelke overlappingen.
    2. Kontroller at spenninger i DAC ener angitt riktig. Aktivere RF generatoren på en svært lav strøminnstilling og gradvis øke utgangseffekten. Kontroller også at reflektert kraften fra den spiralformede resonator er fortsatt minimum av skanning RF frekvensen rundt resonans.
      Forsiktig: Kontroller at forsterket spenningsnivået felle chip ikke overstiger sammenbrudd spenningen. I lufttrykk, dielektrisk styrke en SiO 2 film er kjent for å være ca 10 7 V/cm, men denne verdien kan ikke antas i UHV miljøet. Selv om nøyaktige sammenbrudd spenningen i UHV miljøet ikke er eksplisitt målt, 8-µm lateral gapet fellen chip i en 10 -11-Torr vakuum tåler 240 V RF spenning amplitude i eksperimentell oppsettet.
    3. Angi frekvensen av 399-nm laser resonans frekvens på 174 Yb, identifisert i trinn 2.3.13. Angi frekvensen av 935-nm laser for 174 Yb + isotopen.
      Merk: Med en bølgelengde meter, 320.57199(1) THz kan brukes, men på grunn av begrenset nøyaktigheten på bølgelengde meter, det kan være en variasjon i titalls MHz.
    4. Angi frekvensen av 369.5-nm laser ved en verdi som er ~ 100-200 MHz mindre enn resonans frekvensen slik at selv om det er noen feil med bølgelengde meter, frekvensen blir fortsatt rød-nedstemte.
      Merk: Her 200 MHz detuning trekkes fra den forventede resonansen når forventet resonans frekvensen av 174 Yb + er rundt 811.29152(1) THz.
    5. Aktiverer gjeldende kilden for ovnen og øke gjeldende langsomt til den når verdien i trinn 2.3.12. Vent noen minutter. Hvis ingen ion er fanget, øke gjeldende med ~0.1-0.2 A og vente igjen. Hvis ion ikke er fortsatt fanget, sjekk om den reflekterte RF er fortsatt minst og deretter gradvis øke utgangseffekten på RF generatoren.
      Forsiktig: Kontroller at forsterket spenningsnivået felle chip ikke overstiger forventede sammenbrudd spenningen.
    6. Kort blokkere 935 nm laser og om det er endringer i bildet.
      Merk: Hvis EMCCD innstillingene (inkludert elektron-multiplisere (EM) gevinst, eksponeringstid og kontrasten i bildet) ikke er i et riktig område, selv når et ion er fanget, det er ikke lett å fortelle om endring av intensiteten i regionen overlapping er forårsaket av en virkelig fanget ion eller endring i spredning av 369.5 nm laser. På grunn av IR filter, kan ikke EMCCD kameraet vise endringer i 935 nm laser, slik blokkerer 935 nm laseren ikke gjør noen endring i bildet når det er ingen fanget ion. Men hvis et ion er fanget, spredning frekvensen av 369.5 nm laser synker betydelig uten 935 nm laser. Derfor endringen i EMCCD bildet forårsaket av blokkering 935 nm laser er en god indikator på suksessen av overtrykk ioner.
      Advarsel: Hvis 935 nm laser er blokkert for lenge, fanget ion blir oppvarmet og kan unnslippe fellen.
    7. Slå av ovnen når ionene er fanget. Prøv å finne resonans av 369.5 nm laser ved å gradvis øke frekvensen.
      Merk: Som frekvensen blir nærmere resonans, spredning frekvensen vil øke, men når resonans er krysset, 369.5 nm laser begynner oppvarming ion i stedet for å kjøle den, som igjen fører bildet av fanget ion ustabil. Når resonans frekvensen av 369.5 nm laser er funnet, redusere hyppigheten av laser ved 10 MHz fra resonans.
    8. Scan frekvensen av 935 nm laser til spredning frekvensen av 369.5 nm blir maksimert.
    9. Juster plasseringen av tenkelig linsen og EMCCD kameraet til bildet av ion skjerper.

Representative Results

Figur 7 viser skanning elektron micrographs (SEM) av fabrikkerte ion-felle chip. RF-elektroder, indre DC elektroder, ytre DC elektroder og lasting sporet var vellykket fabrikkert. Sideveggen profilen dielektrisk pilaren ble hakkete fordi PECVD oksid ble avsatt i flere trinn. Flere avsetning trinn ble brukt til å redusere effekten av gjenværende stress fra tykke oksid filmer. Dette er nærmere beskrevet i diskusjonen.

Figur 8 viser EMCCD bildet fem 174Yb+ ioner fanget ved hjelp av microfabricated ion-felle chip. De fangede ionene kan vare i mer enn 24 timer med kontinuerlig Doppler kjøling. Antall fanget ioner kan justeres mellom 1 og 20 ved å endre anvendt DC spenning settet. Eksperimentell installasjonen er svært pålitelig og robust og er for tiden i drift i 50 måneder.

Figur 9 viser det skytteltrafikk fanget ioner aksial retning. Ion plasseringen i figur 9b er fordrevet fra som i figur 9a gjennom justering av plasseringen av DC potensielle minimum ved å endre DC spenning.

Figur 10 viser foreløpige resultater av Rabi oscillation eksperimenter med en 171Yb+ ion. For å oppnå resultatene, ble flere oppsett beskrevet i Tilleggsdokument brukt. Resultatene var inkludert for å vise en potensiell program for eksperimentell forklart i dette papiret.

Figure 1
Figur 1: skjematisk av overflaten ion felle. (en) røde prikker representerer de fangede ionene. Brunt og gult elektrodene angir RF og DC elektrodene, henholdsvis. Grå pilene viser retningen til det elektriske feltet i positiv fasen av RF spenning. Merk at skjematiske ikke er trukket til skala. (b) vertikal dimensjoner av elektroden. (c) sideveis dimensjoner av elektroden. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 2
Figur 2: Forenklet energi nivå diagrammer for en 174Yb+ ion og en nøytral 174Yb atom. (en) når et 369.5 nm laser er nedstemte til den røde siden (lavere frekvens) av resonans, en sykling overgang mellom 2P1/2 og 2S1/2 reduserer den kinetiske energien til ion på grunn av Doppler effekt. Noen ganger en liten, men endelig forgrening forhold gjør elektron forfallet 2P1/2 til 2D3/2, og en 935-nm laser må returnere elektronet tilbake til viktigste sykling overgangen. Elektronet kan også forfalle i en 2F7/2 tilstand en gang per time, gjennomsnittlig og en 638 nm laser kan pumpe den ut 2F7/2 , men dette er ikke nødvendig for en enkel38. Verdiene i notasjonen ket representerer anslagene for de totale angular momenta J langs kvantisering aksen mJ. (b) å ionisere nøytrale atomer fordampet fra ovnen, en to-fotonet absorpsjon prosess ble brukt39. En 399 nm laser opphisset et elektron til 1P1 tilstand, og den 369.5 nm Foton for Doppler kjøling hadde mer energi enn nødvendig å fjerne den glade elektronet fra ion. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 3
Figur 3: fabrikasjon prosessflyten for overflate ion overtrykket. (en) termisk oksidasjon å vokse et 5000 Å tykke SiO2 lag og LPCVD av en 2000 Å tykke Si3N4 lag. (b) avsettelse og ICP etsing av et 1,5 µm tykke freste Al lag. (c) deponering av en 14 µm tykke SiO2 lag på begge sider av kjeks med PECVD prosesser. (d) mønstre av 14 µm tykke SiO2 laget satt foran kjeks bruker en RIE (e) mønstre av 14 µm tykke SiO2 laget avsatt på baksiden av kjeks bruker en RIE. (f) deponering av en 1,5 µm tykke freste Al lag og en 1 µm tykke PECVD SiO2 lag. (g) mønstre av 1,5 µm tykke Al laget med en ICP prosess og 1 µm tykke SiO2 laget med en RIE behandle. (h) mønstre av 14 µm tykke SiO2 laget satt foran kjeks bruker en RIE. (jeg) mønstre på 5000 Å tykke SiO2 laget og 2000 Å tykke Si3N4 laget med en RIE behandle. (j) DRIE av silisium underlaget 450 µm fra baksiden av kjeks. (k) våt-etsing av SiO2 laget på Al elektrodene og sideveggene av dielektrisk pilarene. (l) penetrasjon av silisium underlaget forfra gjennom en DRIE. Merk at schematics ikke trekkes skala. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 4
Figur 4: eksempel på DC spenning setter brukes til å overtrykke ioner. Spenninger på indre skinnene kan kompensere for asymmetrisk elektriske feltet i horisontal retning å vippe viktigste aksene av totale potensialet i tverrgående flyet. Aksial felle frekvensen generert av spenning settet var 550 kHz. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Ether.Within-side = "1" >Figure 5
Figur 5: skjematisk for optisk. Tre diode laser justeres overlappende overlapping der. Innfelt viewport av UHV kammeret gjør tenkelig objektivet å bli plassert så nært som mulig til chip overflaten. En flip-speil plassert mellom tenkelig linsen og EMCCD tillater for selektiv overvåking av ion fluorescens bruker enten et foton multiplisert rør (avdrag) eller en EMCCD. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 6
Figur 6: bilder av konstruert optisk. (en) A coil er viklet rundt foran viewport av kammer å generere et magnetisk felt, noe som kan bryte degenerert energinivå ytterbium ioner. (b) optisk oppsettet for styring av 399 nm og 935 nm bjelker. De røde og grønne linjene angir hvilke stråle av 935 nm og 399 nm lasere, henholdsvis. (c) konfigurasjonen av avbilding systemet, inkludert flip-speilet, tenkelig linsen, EMCCD og avdrag. Banen til fluorescens slippes ut fra de fangede ionene kan bestemmes av flip-speilet. Grønn og hvit pilene angi banen til fluorescensen når overvåkes av EMCCD og PMT, henholdsvis. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 7
Figur 7: fabrikasjon resultatene av overflaten ion fellen. (en) oversikt over oppsettet flis. (b) en forstørret visning av oppsettet flis, som viser flere ytre DC elektrodene. (c) en forstørret visning av chip layout, som viser lasting sporet. (d) en cross-sectional visning av overtrykk regionen før gjennomtrengende lasting sporet. (e) et tverrsnitt utsikt over regionen overtrykk etter gjennomtrengende lasting sporet. (f) A forstørret tverrsnittvisningen av oksid pilaren. Oksid pilarer har ujevne vegger, og lengden på overheng er ikke nok, som er knyttet til ikke-uniform etch frekvensen av SiO2 i grensesnittene mellom separat avsatt 3,5 µm tykke SiO2 lagene. (g) A ovenifra en wire bånd pute av en DC elektroden. (h) A tverrsnittvisningen av en via. Tilbøyelig profiler av oksid pilarene lar for tilkobling av DC elektroden og bakken laget under avsetning av Al laget på sideveggen av oksid pilaren i stedet for å fylle den via hull med en electroplating prosess. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 8
Figur 8: en EMCCD bilde av fem 174Yb+ ioner fanget på microfabricated ion-felle chip. Bildet av overflaten felle elektrode strukturen ble tatt separat, og bilder av fanget ion og av elektrodene ble kombinert klarhet. Intensitet legenden gjelder bare for bildepunktene i boksen. Tykk pilen viser banen bjelke av 369.5 nm laser og tynn pilene representerer x - og z-komponenter av momentum av Foton. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 9
Figur 9: justering av aksial potensialet i de fangede ionene i en lineær kjede. (en) syv ioner i sentrum av fellen. (b) ionene var skytteltrafikk titalls mikrometer. (c) ion strengen presset i aksial retning. Dette tallet vises best som en film, som lastes opp separat. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 10
Figur 10: Eksperimentelle resultatene av Rabi svingninger mellom den | 0 Image 1 og | 1 Image 1 stater. | 0Image 1 er definert som 2S1/2| F = 0, mF= 0Image 1 stat av 171Yb+ ion, og | 1Image 1 er definert som 2S1/2| F = 1, mF= 0Image 1 tilstand. Rabi oscillation er indusert av 12.6428 GHz mikrobølgeovn. Bloch kuler over plottet viser tilsvarende kvantetilstander til forskjellige tider. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Tilleggsdokument: Klikk her for å laste ned dokumentet.

Discussion

Dette papiret presentert en metode for overtrykk ioner bruker microfabricated overflaten ion feller. Byggingen av en ion overlapping system krever erfaringer i ulike forskningsfelt, men har ikke tidligere blitt beskrevet i detalj. Dette papiret gitt detaljerte prosedyrer for microfabricating en felle chip så vel som for bygging en eksperimentelle oppsett for å fange ioner for første gang. Dette papiret også gitt detaljerte prosedyrer for fangst 174Yb+ ioner og eksperimentere med fanget ioner.

Et betydelig hinder møtte i microfabrication prosedyrer er avsetning av dielektrisk lag, med en tykkelse på over 10 µm. Under deponering av tykke dielektrisk lag, kan gjenværende stress bygge opp, som kan skade dielektrisk filmen eller selv bryte kjeks. For å redusere den gjenværende stresset, som er generelt kompresjons, skal en langsom deponering rate brukes40. I vårt tilfelle, ble et kompresjons stress 110,4 MPA målt med deponering betingelsene for 540 sccm SiH4 gass strømningshastighet, 140 W av RF power og 1,9 Torr press på 5 µm filmen tykkelse. Men gi disse prosessforhold bare en grov referanse, siden disse forholdene kan variere betydelig for ulike utstyr. For å redusere effekten av akkumulert stress, ble 3,5 µm tykke SiO2 filmer avsatt alternatingly på begge sider av kjeks i presentert metoden. Nødvendig tykkelsen på dielektrisk lag kan reduseres hvis en mindre RF spenning amplitude og dermed et grunnere felle dybde er valgt. Men fører grunnere felle dyp lett til rømning av fanget ioner, så fabrikasjon av tykkere dielektrisk lag, som tåler høyere RF spenninger, er mer attraktive.

Det er noen begrensninger for metoden fabrikasjon presenteres i dette dokumentet. Lengden på overheng er ikke tilstrekkelig til å fullstendig skjult dielektrisk sideveggene fra de fangede ionene, som vist i figur 7f. Videre er sideveggene av oksid pilarene hakkete, øker eksponert dielektrisk sideveggene sammenlignet med vertikale oksid pilaren. For eksempel i sideveggen av indre DC rail nær lasting sporet med en 5 µm uniform overheng, er det beregnet at 33% av dielektrisk overflaten er eksponert for fanget ion plasseringen av vertikal sideveggen. I jagged edge saken, er mer enn 70% av området sideveggen utsatt. Disse ikke-ideelle fabrikasjon resultatene kan indusere spredt tilleggsfelt fra de utsatte dielektriske, men effekten har ikke vært kvantitativt målt. Likevel har fabrikkerte chip som rapportert ovenfor blitt brukt i ion fangst og FROLINA manipulasjon eksperimenter. I tillegg har felle chip presentert i dette papiret utsatt silisium dekksider nær lasting sporet. Innfødt oksid kan vokse på silisium overflater og kan resultere i flere bortkommen felt. Det anbefales derfor å beskytte silisium underlaget med et ekstra metall lag, som i33.

Hvis du vil overlappe 174Yb+ ioner, frekvensene lasere bør stabiliseres innen et par titalls MHz, og noen metoder diskuteres i avansert oppsett38,41. Men for det enkle setup diskutert i denne artikkelen, er første fangst mulig bare med stabilisering bruker en bølgelengde meter.

Dette papiret gitt en protokoll for å fange 174Yb+ ioner ved hjelp av en microfabricated overflate ion-felle chip. Selv om protokollen for overlapping 171Yb+ ioner ikke er spesielt diskutert, kan eksperimentelle oppsettet beskrevet i dette dokumentet brukes å fange 171Yb+ ioner og manipulere FROLINA staten 171 Yb+ ioner å oppnå Rabi oscillation resultater (vist i Figur 10). Dette kan gjøres ved å legge flere optiske modulatorer til utgangen av lasere og bruker en mikrobølgeovn oppsett, som beskrevet i Tilleggsdokument.

Avslutningsvis kan eksperimentelle metoder og resultater i notatet brukes til å utvikle ulike quantum informasjonsprogrammer bruker overflate ion feller.

Disclosures

Forfatterne ikke avsløre.

Acknowledgments

Denne forskningen ble delvis støttet av departementet for vitenskap, IKT, og fremtiden planlegging (MSIP), Korea, under informasjon Technology Research Center (ITRC) støtte program (IITP-2017-2015-0-00385) og ICT R & D program (10043464, utvikling av Quantum repeater teknologi for programmet for kommunikasjonssystemer), overvåket av Institute for Information & Communications teknologi forfremmelse (IITP).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
photoresist used for 2-μm spin coating AZ Materials AZ7220 Discontinued. Easily replaced by other alternative photoresist product.
photoresist used for 6-μm spin coating AZ Materials AZ4620 Discontinued. Easily replaced by other alternative photoresist product.
ceramic chip carrier NTK IPKX0F1-8180BA
epoxy compound Epotek 353ND
Plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) system Oxford Instruments PlasmaPro System100
Low pressure chemical vapor deposition (LPCVD) system Centrotherm E-1200
Furnace Seltron SHF-150
Sputter Muhan Vacuum MHS-1500
Manual aligner Karl-Suss MA-6
Deep Si etcher Plasma-Therm SLR-770-10R-B
Inductive coupled plasma (ICP) etcher Oxford Instruments PlasmaPro System100 Cobra
Reactive ion etching (RIE) etcher Applied Materials P-5000
Boundary element method (BEM) software CPO Ltd. Charged Particle Optics
Single crystaline (100) silicon wafer STC 4SWP02 100 mm / (100) / P-type / SSP / 525±25 μm
metal tubes Mcmaster-carr 89935K69 316 Stainless Steel Tubing, 0.042" OD, 0.004" Wall Thickness
Yb piece Goodfellow YB005110 Ytterbium wire, purity 99.9%
enriched 171Yb Oak Ridge National Laboratory Yb-171 https://www.isotopes.gov/catalog/product.php?element=Ytterbium
tantalum foil The Nilaco Corporation TI-453401 0.25x130x100mm 99.5%
Kapton-insulated copper wire Accu-glass 18AWG (silver plated copper wire kapton insulted)
residual gas analyzer (RGA) SRS RGA200
turbo pump Agilent Twistorr84 FS
all-metal valve KJL manual SS All-Metal Angle Valves (CF flanged)
Leak detector (used as a rough pump) Varian PD03
ion gauges Agilent UHV-24p
ion pump Agilent VacIon Plus 20
NEG pump SAES Getters CapaciTorr D400
spherical octagon Kimball Physics MCF600-SphOct-F2C8
ZIF socket Tactic Electronics P/N 100-4680-002A
multi-pin feedthroughs Accu-Glass 6-100531
25 D-sub gender adapters Accu-Glass 104101
Recessed viewport Culham Centre for Fusion Energy 100CF 316LN+20.9 Re-Entrant 316 (Custom order) Disc material: 60cv Fused Silica 4mm THK, TWE Lambda 1/10, 20/10 Scratch-Dig
Recessed viewport AR coating LaserOptik AR355nm/0-6° HT370-650nm/0-36° on UHV (Custom order) AR coating was performed in the middle of the fabrication of the recessed viewport
Digital-analog converter AdLink PCIe-6216V-GL
369.5nm laser Toptica TA-SHG Pro
369.5nm laser Moglabs ECD004 + 370LD10 + DLC102/HC
399nm laser Toptica DL 100
935nm laser Toptica DL 100
369.5nm & 399nm optical fiber Coherent NUV-320-K1 Patch cables are connectorized by Costal Connections.
935nm optical fiber GouldFiber Optics PSK-000626 50/50 fiber beam splitter made of Corning HI-780 single mode fiber to combine 935nm and 638nm together.
Wavelength meter High Finesse WSU-2
temporary mirror Thorlabs PF10-03-P01
Dichroic mirror Semrock FF647-SDi01-25x36
369.5nm & 399nm collimator Micro Laser Systems FC5-UV-T/A
935nm collimator Schäfter + Kirchhoff 60FC-0-M8-10
369.5nm focusing lens CVI PLCX-25.4-77.3-UV-355-399 Focal length: ~163mm @ 369.5nm
399nm & 935nm focusing lens CVI PLCX-25.4-64.4-UV-355-399 Focal length: ~137mm @ 399nm, ~143mm @ 935nm
imaging lens Photon Gear P/N 15470
369.5nm bandpass filter Semrock FF01-370/6-25
399nm bandpass filter Semrock FF01-395/11-25
IR filter Semrock FF01-650/SP-25
EMCCD camera Andor Technology DU-897U-CS0-EXF
PMT Hamamatsu H10682-210

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Wineland, D. J. Nobel Lecture: Superposition, entanglement, and raising Schrödinger's cat. Rev Mod Phys. 85 (3), 1103 (2013).
  2. Blatt, R., Wineland, D. Entangled states of trapped atomic ions. Nature. 453 (7198), 1008-1015 (2008).
  3. Leibfried, D., Blatt, R., Monroe, C., Wineland, D. Quantum dynamics of single trapped ions. Rev Mod Phys. 75 (1), 281 (2003).
  4. Paul, W. Electromagnetic traps for charged and neutral particles. Rev Mod Phys. 62 (3), 531 (1990).
  5. Rosenband, T., et al. Frequency ratio of Al+ and Hg+ single-ion optical clocks; metrology at the 17th decimal place. Science. 319 (5871), 1808-1812 (2008).
  6. Dawson, P. H. Quadrupole mass spectrometry and its applications. , 1st ed, Elsevier. Amsterdam, Netherlands. (2013).
  7. Ladd, T. D., Jelezko, F., Laflamme, R., Nakamura, Y., Monroe, C., O'Brien, J. L. Quantum computers. Nature. 464 (7285), 45-53 (2010).
  8. Monz, T., et al. Realization of a scalable Shor algorithm. Science. 351 (6277), 1068-1070 (2016).
  9. Debnath, S., Linke, N. M., Figgatt, C., Landsman, K. A., Wright, K., Monroe, C. Demonstration of a small programmable quantum computer with atomic qubits. Nature. 536 (7614), 63-66 (2016).
  10. Blatt, R., Roos, C. F. Quantum simulations with trapped ions. Nature Phys. 8 (4), 277-284 (2012).
  11. Kielpinski, D., Monroe, C., Wineland, D. J. Architecture for a large-scale ion-trap quantum computer. Nature. 417 (6890), 709-711 (2002).
  12. Moehring, D. L., et al. Design, fabrication and experimental demonstration of junction surface ion traps. New J Phys. 13 (7), 075018 (2011).
  13. Wright, K., et al. Reliable transport through a microfabricated X-junction surface-electrode ion trap. New J Phys. 15 (3), 033004 (2013).
  14. Amini, J. M., et al. Toward scalable ion traps for quantum information processing. New J Phys. 12 (3), 033031 (2010).
  15. Sterling, R. C., et al. Fabrication and operation of a two-dimensional ion-trap lattice on a high-voltage microchip. Nat Commun. 5, (2014).
  16. Kumph, M., et al. Operation of a planar-electrode ion-trap array with adjustable RF electrodes. New J Phys. 18 (2), 023047 (2016).
  17. Mielenz, M., et al. Arrays of individually controlled ions suitable for two-dimensional quantum simulations. Nat Commun. 7, (2016).
  18. Stick, D., Hensinger, W. K., Olmschenk, S., Madsen, M. J., Schwab, K., Monroe, C. Ion trap in a semiconductor chip. Nat Phys. 2 (1), 36-39 (2006).
  19. Harty, T. P., et al. High-fidelity preparation, gates, memory, and readout of a trapped-ion quantum bit. Phys Rev Lett. 113 (22), 220501 (2014).
  20. Cho, D., Hong, S., Lee, M., Kim, T. A review of silicon microfabricated ion traps for quantum information processing. Micro Nano Sys Lett. 3 (1), 1-12 (2015).
  21. Weidt, S., et al. Trapped-ion quantum logic with global radiation fields. Phys Rev Lett. 117 (22), 220501 (2016).
  22. Monroe, C., Kim, J. Scaling the ion trap quantum processor. Science. 339 (6124), 1164-1169 (2013).
  23. Brown, K. R., Kim, J., Monroe, C. Co-designing a scalable quantum computer with trapped atomic ions. npj Quantum Inf. 2, 16034 (2016).
  24. Lekitsch, B., et al. Blueprint for a microwave trapped-ion quantum computer. Science Adv. 3 (2), e1601540 (2017).
  25. Reichel, J., Vuletic, V. Atom chips. , John Wiley & Sons, Inc. Hoboken, New Jersey, USA. (2011).
  26. Ghosh, P. K. Ion Traps. ed, ,1st , 1st ed, Oxford Science Publications. Oxford, UK. (1995).
  27. Wesenberg, J. H. Electrostatics of surface-electrode ion traps. Phys Rev A. 78 (6), 063410 (2008).
  28. House, M. G. Analytic model for electrostatic fields in surface-electrode ion traps. Phys Rev A. 78 (3), 033402 (2008).
  29. Hong, S., Lee, M., Cheon, H., Kim, T., Cho, D. I. Guidelines for Designing Surface Ion Traps Using the Boundary Element Method. Sensors. 16 (5), 616 (2016).
  30. Allcock, D. T. C., et al. Implementation of a symmetric surface-electrode ion trap with field compensation using a modulated Raman effect. New J Phys. 12 (5), 053026 (2010).
  31. Chiaverini, J., et al. Surface-electrode architecture for ion-trap quantum information processing. Quantum Inf Comput. 5 (6), 419-439 (2005).
  32. Allcock, D. T. C., et al. Heating rate and electrode charging measurements in a scalable, microfabricated, surface-electrode ion trap. Appl Phys B. 107 (4), 913-919 (2012).
  33. Stick, D., et al. Demonstration of a microfabricated surface electrode ion trap. , Available from: https://arxiv.org/abs/1008.0990 (2010).
  34. Allcock, D. T. C., et al. Reduction of heating rate in a microfabricated ion trap by pulsed-laser cleaning. New J Phys. 13 (12), 123023 (2011).
  35. Mount, E., et al. Single qubit manipulation in a microfabricated surface electrode ion trap. New J Phys. 15 (9), 093018 (2013).
  36. Siverns, J. D., Simkins, L. R., Weidt, S., Hensinger, W. K. On the application of radio frequency voltages to ion traps via helical resonators. Appl Phys B. 107 (4), 921-934 (2012).
  37. Kleinert, M., Dahl, M. E. G., Bergeson, S. Measurement of the Yb I 1S0−1P1 transition frequency at 399 nm using an optical frequency comb. Phys Rev A. 94 (5), 052511 (2016).
  38. Olmschenk, S., Younge, K. C., Moehring, D. L., Matsukevich, D. N., Maunz, P., Monroe, C. Manipulation and detection of a trapped Yb+ hyperfine qubit. Phys Rev A. 76 (5), 052314 (2007).
  39. Sansonetti, J. E., Martin, W. C., Young, S. L. Handbook of Basic Atomic Spectroscopic Data. , National Institute of Standards and Technology. Gaithersburg, MD, USA. version 1.1.3 (2013).
  40. Kern, W. Thin film processes II. , 2nd ed, Academic Press. Cambridge, Massachusetts, USA. (2012).
  41. Streed, E. W., Weinhold, T. J., Kielpinski, D. Frequency stabilization of an ultraviolet laser to ions in a discharge. Appl Phys Lett. 93 (7), 071103 (2008).

Tags

Engineering fanget problemet 126 Ion felle microfabrication quantum informasjon ioner FROLINA ytterbium ultra-høy vakuum overflate ion felle
Eksperimentelle metoder for overlapping ioner bruker Microfabricated overflaten Ion feller
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Hong, S., Lee, M., Kwon, Y. D., Cho, … More

Hong, S., Lee, M., Kwon, Y. D., Cho, D. i. "., Kim, T. Experimental Methods for Trapping Ions Using Microfabricated Surface Ion Traps. J. Vis. Exp. (126), e56060, doi:10.3791/56060 (2017).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter