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 til fældefangst ioner ved hjælp af Microfabricated overflade Ion fælder

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 paper præsenterer en microfabrication metode til overflade ion fælder, samt en detaljeret eksperimentel procedure for fældefangst ytterbium ioner i en stuetemperatur miljøet.

Abstract

Ioner fanget i en Quadrupol, Paul trap har været betragtet som en af de stærke fysiske kandidater til at gennemføre quantum informationsbehandling. Dette er på grund af deres lange sammenhængende tid og deres evne til at manipulere og registrere individuelle quantum bits (qubits). I de senere år, har microfabricated overflade ion fælder fået mere opmærksomhed for storstilet integreret qubit platforme. Dette paper præsenterer en microfabrication metode til ion fælder ved hjælp af mikro-elektro-mekanisk system (MEMS) teknologi, herunder metoden fabrikation for en 14 µm tykt dielektriske lag og metal udhæng strukturer på toppen af de dielektriske lag. Desuden er en eksperimentel procedure for fældefangst ytterbium (Yb) ioner af isotop 174 (174Yb+) ved hjælp af 369.5 nm, 399 nm, og 935 nm diode lasere er beskrevet. Disse metoder og procedurer, der involverer mange videnskabelige og ingeniørmæssige discipliner, og dette papir først præsenterer de detaljerede eksperimentelle procedurer. De metoder, der drøftes i dette dokument kan let udvides, at fangst af Yb ioner af isotop 171 (171Yb+) og manipulation af qubits.

Introduction

Et Paul trap kan begrænse ladede partikler, herunder ioner i tom plads, ved hjælp af en kombination af en statisk elektrisk felt og en varierende elektriske felt oscillerende radio frekvens (RF), og quantum staterne af ioner er begrænset i fælden kan måles og kontrolleret1,2,3. Sådanne ion fælder blev oprindeligt udviklet til præcis måling applikationer, herunder optiske ure og masse spektroskopi4,5,6. I de seneste år, har disse ion fælder også været aktivt undersøges som en fysisk platform til at gennemføre quantum informationsbehandling tilskrives fanget ioner, som længe sammenhæng gange, ønskelige karakteristika ideelle isolation i en ultra-høje vakuum (UHV) miljø, og muligheden for individuelle qubit manipulation7,8,9,10. Siden Kielpinski mfl. 11 foreslået en skalerbar ion-fælde arkitektur, der kan bruges til at udvikle kvantecomputere, forskellige typer af overflade fælder, herunder junction fælder12,13, multi-zone fælde chips14og 2D-array fælder15,16,17, er blevet udviklet ved hjælp af halvleder proces-afledte microfabrication metoder18,19,20,21 . Storstilet quantum information processing systemer baseret på overfladen fælder er også blevet drøftet22,23,24.

Dette paper præsenterer eksperimentelle metoder til fældefangst ioner ved hjælp af microfabricated overflade ion fælder. Mere specifikt en procedure for at fabrikere overflade ion fælder og en detaljeret procedure for fældefangst ioner ved hjælp af de fabrikerede fælder er beskrevet. Derudover findes detaljerede beskrivelser af forskellige praktiske teknikker til at oprette den eksperimentelle system og fældefangst ioner i Supplerende dokument.

Metodologien for microfabricating en overflade ion trap er givet i trin 1. Figur 1 viser et forenklet skematisk af en overflade ion trap. De elektriske felter, genereret af spænding til elektroder i et tværplan er også vist25. En RF spænding er anvendt til par af RF elektroder, mens alle andre elektroder holdes på RF jorden; den ponderomotive potentielle26 genereret af RF spænding begrænser ioner i radial retning. Jævnstrøm (DC) spænding til flere DC elektroderne udenfor RF elektroder begrænse ioner til længderetning. De indvendige skinner mellem RF elektroderne er udformet for at vippe de vigtigste akser i det samlede potentiale i et tværplan. Metode til at designe en DC spænding sæt er inkluderet i det Supplerende dokument. Derudover findes flere detaljer til at designe de vigtige geometriske parametre af overflade ion-fælde chips i27,28,29,30,31.

Fabrikation metoden indført i trin 1 blev designet overvejer følgende aspekter. Først, de dielektriske lag mellem elektrode lag og jorden lag skal være tilstrækkelig tykke at forhindre elektrisk fordeling mellem lagene. Generelt bør tykkelsen over 10µm. Under aflejring af det tykke dielektriske lag, kan den resterende stress fra de deponerede film forårsage bukkede substrat eller skader på de deponerede film. Kontrollere den resterende stress er således en af de vigtigste teknikker i fabrikation af de overflade ion fælder. For det andet bør eksponering af de dielektriske overflader til positionen ion minimeres fordi omstrejfende afgifter kan induceres på de dielektrisk materiale af spredte ultraviolet (UV) lasere, som i turn resultater i en tilfældig skift af ion position. Det udsatte område kan reduceres ved at designe overhæng elektrode strukturer. Det er blevet rapporteret, at overfladen ion fælder med elektrode udhæng er resistente over for opladning under typiske forsøgsbetingelser32. Tredje, alle materialer, herunder forskellige deponerede film, bør være i stand til at modstå 200 ° C bagning i ca 2 uger, og mængden af udstrømning fra alle materialer bør være forenelig med UHV miljøer. Design af overflade ion-fælde chips microfabricated i dette papir er baseret på den fælde design fra33, som var med held brugt i forskellige eksperimenter32,33,34, 35. Bemærk at dette design inkluderer en slot midt i chippen for indlæsning af neutrale atomer, som er senere foto-ioniseret for diffusering.

Efter fabrikation af ion-fælde chip, er chip monteret og elektrisk tilsluttet chip luftfartsselskab benytter guld bonding ledninger. Chip luftfartsselskab er derefter installeret i en UHV kammer. En detaljeret procedure for at forberede en fælde chippakke og design af UHV kammer leveres i Supplerende dokument.

Forberedelse af det optiske og elektrisk udstyr, samt de eksperimentelle procedurer for fældefangst ioner, er forklaret i detaljer i trin 2. Ioner fanget af den potentielle ponderomotive er generelt genstand for udsving i den omgivende elektrisk felt, som løbende øger den gennemsnitlige kinetiske energi af ioner. Laser køling baseret på Doppler Skift kan bruges til at fjerne den overskydende energi fra bevægelse af ioner. Figur 2 viser de forenklede energi-niveau diagrammer af en 174Yb+ ion og en neutral 174Yb atom. Doppler køling af 174Yb+ ioner kræver en 369.5-nm laser og en 935-nm laser, mens foto-ionisering af neutrale 174Yb atomer kræver en 399-nm laser. Trin 2.2 og 2.3 beskriver en effektiv metode til at justere disse lasere til overflade ion-fælde-chip og en procedure for at finde de rette betingelser for foto-ionisering. Efter de optisk og elektriske komponenter er forberedt, er fældefangst ioner relativt ligetil. Den eksperimentelle sekvens for fældefangst ioner er præsenteret i trin 2.4.

Protocol

1. fabrikation af pakken Ion-fælde Chip

  1. Microfabrication af overfladen ion-fælde chip.
    Bemærk: Proces betingelserne beskrevet i denne sektion giver kun en ru reference, da de optimale parametre for hver proces kan variere betydeligt til forskelligt udstyr. Temperaturforholdene gives kun ved høj temperatur-processer som oxidation og kemisk dampudfældning. Fabrikationsproces udføres ved hjælp af 100 mm-diameter silicium wafers.
    1. Forbered en enkelt krystallinsk silicium wafer med en tykkelse på 500-525 µm og rense det ved hjælp af piranha løsning for 15 min.
    2. Termisk oxidere silicium wafer i en ovn rør til at danne 0,5 µm-tykke SiO 2 dielektriske lag på begge sider.
      Bemærk: Disse lag kan elektrisk isolere silicium substrat fra jorden lag. Procesparametre anvendes i våd-oxidation var: O 2 strømningshastigheden af 6.500 sccm, N 2 strømningshastigheden af 5.000 sccm, H 2 strømningshastigheden af 7.000 sccm, behandle temperatur på 900 ºC, og procestid på 4,5 h (se tabellen af Materialer for udstyr detaljer).
    3. Deponere 0,2 µm tykt Si 3 N 4 lag på begge sider af den wafer ved hjælp af en lavtryks kemiske damp deposition (LPCVD) proces ( figur 3a) for at beskytte thermal oxide lag under den Wet-ætsning processen vist i figur 3 k.
      Bemærk: Procesparametre anvendes LPCVD proces er: H 2 SiCl 2 strømningshastigheden af 30 sccm, NH 3 strømningshastigheden af 100 sccm, tryk på 200 mTorr, og processen temperatur af 785 ° C. Dette resulterer i en aflejring sats 40 Å / min (Se Tabel af materialer til udstyr detaljer).
    4. Deponere en 1,5 µm tykt Al/Cu (1%) lag på wafer ved hjælp af en spruttende proces og følgende parametre: Ar gennemstrømningshastighed på 40 sccm, tryk på 2 mTorr, og RF power 300 W.
      Bemærk: Dette resulterer i en aflejring på 130 Å / min (Se Tabel af materialer til udstyr detaljer).
      Bemærk: Dette lag giver en stelplade for at forhindre RF tab gennem silicon substrat og også giver kontaktpunkter til wire-bonding puder. Aluminiumslegering med 1% kobber bruges til at forhindre bakkenbart dannelse under bagningen til at opnå en UHV miljø. Denne sammensætning er afgørende for forebyggelse af bakkenbart.
    5. Spinde en 2 µm-tykke positive photoresist lag på wafer og lithographically mønster for at definere den RF afskærmning fly og wire-bonding pads.
      Bemærk: Procesparametre for de 2 µm-tykke photoresist er: spin hastighed på 5.000 rpm, spin tid 40 s, pre bages temperatur på 95 ° C, før bages tid af 90 s, eksponering energi af 144 mJ/cm 2, udvikle tid 60 s, post bages temperatur af 110 ° C, og efter bage tid af 5 min (Se Tabel af materialer til kemisk og udstyr detaljer).
    6. Mønster af 1,5 µm tykt Al/Cu (1%) lag ved hjælp af en konventionel tør-ætsning proces (reaktiv ion radering (RIE) eller induktiv koblet plasma (ICP) ætsning), med photoresist mønstret i trin 1.1.5 som ætsning maske.
      Bemærk: En ICP etcher bør anvendes med de følgende parametre: BCl 3 strømningshastigheden af 20 sccm, Cl 2 strømningshastigheden af 30 sccm, tryk på 5 mTorr og RF power af 750 W. Dette resulterer i en etch sats på 3.600 Å/min. (Se Tabel af materialer til udstyr detaljer).
    7. Fjerner photoresist bruges i trin 1.1.6 usung et O 2 plasma foraskning proces ( figur 3b).
      Bemærk: Procesparametre for foraskning proces er: O 2 strømningshastigheden af 150 sccm, tryk på 0,75 mTorr og RF power på 300 W (Se Tabel af materialer til udstyr detaljer).
    8. Deponere et 14 µm tykt SiO 2 lag på begge sider af den wafer ved hjælp af plasma-forstærket kemiske damp deposition (PECVD) processer ( figur 3 c).
      Bemærk: Procesparametre anvendes PECVD proces er: SiH 4 strømningshastigheden af 540 sccm, presset af 1.9 Torr, proces temperatur på 350 ° C, og RF power af 750 W. Dette resulterer i en aflejring på 3.000 Å / min (Se Tabel af materialer til udstyr detaljer). Da deponering 14 µm tykt SiO 2 lag er en af de mest vanskelige processer, detaljerne er yderligere beskrevet i diskussion.
    9. Spinde en 6 µm tykt positive photoresist lag på forsiden af wafer og lithographically mønster for at definere via huller for elektrisk tilslutning DC elektroder til wire-bonding pads.
      Bemærk: Procesparametre for de 6 µm-tykke photoresist er: spin hastighed på 5.000 rpm, spin tid 40 s, pre bages temperatur på 95 ° C, før bages tid på 5 min, eksponering energi af 900 mJ/cm 2, udvikle tid af 10 min, efter bage temperatur på 110 ° C, og efter bage tid af 5 min (Se Tabel af materialer til kemisk og udstyr detaljer).
    10. Mønster 14 µm tykt SiO 2 lag på forsiden af den wafer ved hjælp af en konventionel RIE proces, med photoresist mønstrede taktfast 1.1.9 som ætsning maske.
      Bemærk: Procesparametre for SiO 2 ætsning er: CHF 3 strømningshastigheden af 25 sccm, CF 4 strømningshastigheden af 5 sccm, Ar strømningshastigheden af 50 sccm, tryk på 130 mTorr og RF power på 600 W. Dette resulterer i en etch sats på 3.600 Å/min. (Se Tabel af materialer til udstyr detaljer).
    11. Fjerner photoresist bruges i trin 1.1.10 med en O 2 plasma foraskning proces. Dyppe wafer i en opvarmet opløsningsmiddel eller sonikeres det før foraskningen ( figur 3d).
    12. Spinde en 6 µm tykt positive photoresist lag på bagsiden af wafer og lithographically mønster for at danne en oxid hårdt maske for dybt reaktive ion radering (DRIE) af silicium substrat ( figur 3j).
    13. Mønster af 14 µm tykt SiO 2 lag på bagsiden af den wafer ved hjælp af en konventionel RIE proces, med photoresist mønstrede taktfast 1.1.12 som ætsning maske.
    14. Fjerner photoresist bruges i trin 1.1.13 med en O 2 plasma foraskning proces ( figur 3).
    15. Deponere en 1,5 µm tykt Al/Cu (1%) lag, som bruges som elektroden ved hjælp af en spruttende proces.
    16. Deponere en 1 µm-tykke SiO 2 lags på wafer ved hjælp af en PECVD proces ( figur 3f).
    17. Spinde en 2 µm-tykke positive photoresist lag på wafer og lithographically mønster for at definere elektroderne.
    18. Mønster af 1,5 µm tykt Al/Cu (1%) lag og 1 µm-tykke SiO 2 lag ved hjælp af en konventionel ICP ætsning proces, med photoresist mønstret i trin 1.1.17 som ætsning maske.
    19. Fjerner photoresist bruges i trin 1.1.18 med en O 2 plasma foraskning proces ( figur 3 g).
    20. Spinde en 6 µm tykt positive photoresist lag på wafer og lithographically mønster for at definere de 14 µm tyk oxid søjle mønstre.
    21. Mønster af 14 µm tykt SiO 2 lag ved hjælp af en konventionel RIE proces, med photoresist mønstret i trin 1.1.20 som ætsning maske.
    22. Fjerner photoresist bruges i trin 1.1.21 med en O 2 plasma foraskning proces ( figur 3 h).
    23. Spinde en 6 µm tykt positive photoresist lag på wafer og lithographically mønster for at udsætte lastning slot.
    24. Mønster SiO 2 og Si 3 N 4 lag ved hjælp af en konventionel RIE proces med photoresist mønstret i trin 1.1.23 som ætsning maske.
    25. Fjerner photoresist bruges i trin 1.1.24 med en O 2 plasma foraskning proces ( figur 3i).
    26. Mønster silicium substrat fra bagsiden af wafer ved hjælp af en DRIE proces ( figur 3j).
      Bemærk: Etch dybde skal måles gentagne gange for at forhindre indtrængen af silicium substrat fra bagsiden. Målet etch dybde er ca 450-470 µm. DRIE proces blev udført med gentagelser af C 4 F 8 deposition for 5 s, C 4 F 8 etch for 3 s, og Si etch for 5 s. I C 4 F 8 deposition skridt, strømningshastigheder C 4 F 8, var SF 6 og Ar 100, 0,5 og 30 sccm, henholdsvis. Bemærk Ar der bruges til at fremskynde etch satsen for C 4 F 8 og Si, at det også anvendes i C 4 F 8 deposition trin, med den samme flow til at stabilisere pres tilstand. I C 4 F 8 etch skridt, strømningshastigheder blev ændret til 0,5, 50 og 30 sccm, henholdsvis. I Si etch skridt, strømningshastigheder 0,5, 100 og 30 sccm, henholdsvis, blev anvendt. RF power og kammeret pres blev sat til 825 W og 23 mTorr i alle trin. For disse betingelser, etch rate for Si var 1 µm for hver sløjfe (Se Tabel af materialer til udstyr detaljer).
    27. Terninger wafer i 10 mm x 10 mm stykker ved hjælp af en terninger machine.
    28. Detach terninger båndet fra die ved at dyppe det i acetone i 5 min. Rens die ved at dyppe det i kører deioniseret vand (DI) vand for 10 min og isopropylalkohol (IPA) i 2 min. tør det for 2 min på 110 ° C.
    29. Etch dæksider af oxid søjler til at fabrikere elektrode overhæng strukturer ved hjælp af en oxid våd ætsning proces for 60 s i en buffer oxid TIPkan (BOE), som er (NH 4 F:HF = 6:1) ( figur 3 k). Ren dø ved at dyppe det i kører DI vand for 10 min og IPA i 2 min. tørre det i 2 min på 110 ° C.
    30. Trænge slids-formet ion lastning hul fra forsiden af die ved hjælp af en DRIE proces.
      Bemærk: Fabrikationsproces ion-fælde chips er fuldført på dette trin ( figur 3 l).

2. Forberedelse af optiske og elektrisk udstyr og fældefangst ioner

Bemærk: fabrikerede fælde chip er pakket med et luftfartsselskab, chip, og chip luftfartsselskab er installeret i et UHV kammer. Mens procedurer for opdigte pakken trap-chip og forberede UHV kammer leveres i det Supplerende dokument, dette afsnit beskriver detaljerne for opsætning af optiske og elektrisk udstyr og for fældefangst ioner.

  1. Forberedelse af elektriske forbindelser.
    1. Tilslut en multi-kanal digital til analog konverter (DAC) til feedthrough på bagsiden af UHV kammer at anvende spænding tilsvarende DC kontrol elektroderne.
      Bemærk: Figur 4 viser et eksempel på spænding at fælde chip. Den detaljerede metode til at designe sådan en DC spænding sæt er beskrevet i det Supplerende dokument.
    2. Tilsluttes en ovn pin i feedthrough på bagsiden en aktuel kilde.
    3. Tilføje en retningsbestemt kobling mellem en RF generator og den heliske resonator. Tilslut signalet fra RF generator til outputport af retningsbestemt koblingen. Også, tilsluttes den inddata havneby af den heliske resonator retningsbestemt koblingen inputport.
      Bemærk: Denne konfiguration giver mulighed for overvågning den reflekterede effekt fra spiralformet resonator 36.
    4. Justere placeringen af spiralformet resonator cap og scanne hyppigheden af generator til at finde den hyppighed, hvormed refleksion på et minimum. Gentag dette trin, indtil der findes et globalt minimum.
      Bemærk: Frekvensen på den globale minimum er resonant frekvens. Brug af en spektrumanalysator med et tracking generator indstilling eller måling af parameteren S 11 med en network analyzer kan forenkle scanningsprocessen for den mindste reflektion. Hvis nogen af de elektriske forbindelser med en DAC spændingskilde eller aktuelle kilde til ovnen er ændret, impedans af RF-feedthrough er ændret, og den resonant frekvens vil skifte.
    5. Slukke RF generatoren.
      Forsigtig: Når den heliske resonator ansøger RF højspænding at fælden, ændre ikke alle elektriske forbindelser, der kan forårsage impedans ændringer. Pludselig impedans ændringer kan nemt brænde limning ledninger af chippen.
  2. Justering af 369.5 nm laser og den billedbehandlingssystem.
    1. Collimate 369.5-nm laser fra en optisk fiber ved hjælp af en kollimator og forsøge at matche højden af kollimator fra overfladen af tabellen optisk til højden af chippen; gøre lysstrålen udbrede vandret.
    2. Angiv formeringsmaterialets retningen af kollimeres 369.5-nm strålen mod fælde chip, gennem enten venstre eller højre viewport UHV kammer, som vist i figur 5. Groft justere det sådan, at laserstrålen udbreder parallel til fælde-chip overfladen og næsten rører overfladen af chippen.
    3. Montere en fokusering linse til 369.5-nm laser på en oversættelse scene. Placere den fokusering linse langs den formeringsmateriale retning, så laseren vil være fokuseret omkring fældefangst position over chip overflade, og så fokuseret laser udbreder ad trap-chip overflade. Justere placeringen af den fokus linse med den oversættelse fase; placeringen af laser stråle fokus vil følge bevægelsen af den fokus linse.
    4. Sted en høj numerisk blænde imaging linse monteret på en oversættelse scenen foran salen UHV overvejer afstanden fra chip overflade ( figur 5).
    5. Justere 369.5-nm bjælken med trap-chip overflade, så der er nogle beløb af laser spredning fra chip overflade.
      Bemærk: Det spredte lys indsamlet af imaging linsen vil danne et svagt billede omkring lens billedplan. Dette billede kan normalt observeres, selv med fluorescerende papir når området er tilstrækkelig mørkt.
    6. Justere placeringen af imaging objektivet, indtil billedet på den fluorescerende papir bliver skarpt.
    7. Sted en elektron-ganges opkrævet koblede enhed (EMCCD) monteret på en oversættelse scenen, i betragtning af placeringen af imaging flyet af linsen, fundet i det forrige trin.
    8. Montere en infrarød (IR) filter foran EMCCD blokere sort legeme stråling fra ovnen, når ovnen er opvarmet til fordampning.
    9. Montere en 369.5-nm bandpass filter foran EMCCD til at blokere baggrundslys.
    10. Sammenligne billedet af EMCCD med layout af elektroderne. Justere placeringen af EMCCD og billede linse, indtil elektroderne kan ses med EMCCD. Justere både imaging linsen og EMCCD indtil billedet bliver skarpt.
    11. Identificere hvilke elektroder er vist i EMCCD og justere EMCCD til at matche dens centrum til den forventede diffuserings placering.
    12. Justere 369.5-nm beam lodret, så det vil passere gennem fældefangst position. For at finde ud af afstanden mellem midten af bjælken og fælde overflade, flytte bjælken mod fælde overflade indtil spredning af strålen er maksimeret.
      Bemærk: Efter trin 2.2.12, kan det antages at bjælken ligger lige på chip overfladen.
    13. Fra den numerisk simulering af trap potentielle 29, finde forventet højden af ion fældefangst position fra chip overflade. Flytte 369.5 nm bjælken fra chip overfladen af forventet højden ved hjælp af mikrometer af linse oversættelse fase. Flytte den billeddiagnostiske linse og EMCCD tilbage ved den samme afstand. Nedskrive mikrometer aflæsningerne af de billeddiagnostiske linse og EMCCD.
  3. Justering af 399 nm og 935 nm lasere og ovn test.
    1. Erstatte de 369.5 nm bandpass filter med en 399 nm bandpass filter. Fra den numeriske simulering af imaging linsen, finde forskellen mellem brændvidden af 399-nm lys og 369.5-nm lys som følge af kromatisk aberration. Justere langsgående holdninger imaging linsen og EMCCD at gøre 399-nm fokuseret på EMCCD.
    2. Collimate 399 og 935 nm bjælker, leveret fra optiske fibre, med de respektive kollimatorer, og justere højder af fiber kollimatorer modsvarer højden af chip til at gøre både bjælker udbrede vandret.
    3. Juster 399 nm strålen mod den fælde-chip overflade gennem en anden viewport, sådan at de 399 nm laser formerings i den modsatte retning fra de 369.5 nm laser. Forsøge at gøre de kollimeres 399 nm laser overlapning med fokuseret 369.5 nm laser.
    4. Kombinerer kollimeres 935 nm bjælken med kollimeres 399 nm laser ved hjælp af en dichroic spejl og justere 935 nm strålen, sådan at den 935 nm laser Co forsaetter med 399-nm laser. Aflede de to bjælker med en midlertidig spejl for at kontrollere, hvor godt de to bjælker overlapper hinanden, før de komme ind i salen og måle placeringen af bjælker langs stien stråle ved hjælp af enten en stråle profiler eller en pinhole. Hvis pladsen er utilstrækkelig til at placere midlertidige spejlet mellem kammeret og den fokusering linse, overveje at sætte den optiske setup på en lille optisk breadboard; grad af overlap kan kontrolleres på et særskilt sted.
    5. Montere en fokusering linse til begge lasere på en yderligere oversættelse scenen og indstille fokus objektivet mellem dichroic spejle og den midlertidige spejl. Anslå afstanden fra den midlertidige spejl til fældefangst position og justere placeringen af den fokus linse sådan at 399 nm laser er fokuseret på fældefangst position ( fig. 6b).
    6. Kontrollere om fokus af 399 nm laser falder sammen med fokus på 935 nm laser. Hvis de to foci ikke overlapper, fint justere 935 nm laser.
    7. Fjerner den midlertidige spejl i stien 399 nm laser. Kontrollere spor af 399 nm laser på chip overfladen ved hjælp af EMCCD. Hvis ingen spor af 399 nm laserstråle kan observeres, flytte den 399 nm strålegang omkring chippen. Også, lidt justere afstanden mellem kammeret og billedbehandling linsen indtil billedet af chip-overfladen bliver skarpt.
    8. Justere sporingen af 399 nm strålen på chip overflade, så det vil passere den forventede fældefangst position. Svarende til den 369.5 nm beam justering, flytte 399-nm strålen mod chip overflade indtil intensiteten af det spredte lys bliver maksimeret.
    9. Flytter de 399 nm laserstråle fra chip overfladen af samme højde anvendes i trin 2.2.13 ved hjælp af en mikrometer. Flytte den billeddiagnostiske linse og EMCCD tilbage ved den samme afstand.
    10. Sætte den midlertidige spejl bruges i trin 2.3.4 tilbage. Gentag trin 2.3.6 og derefter fjerne den midlertidige spejl.
      Bemærk: Efter trin 2.3.10, 935 nm laser kan antages for at passere gennem fældefangst position over chip overfladen.
    11. Bølgelængden af 399 nm laser tæt på 1 S 0-1 P 1 overgang af 174 Yb (751,526 GHz). Tænd strømmen til ovnen fyldt med naturligt forekommende Yb og gradvist øge nuværende.
      Bemærk: I almindelighed, fordampning starter ikke nødvendigvis på samme nuværende fundet af det resterende gas analyzer (RGA), som beskrevet i det Supplerende dokument, så prøv forskellige aktuelle værdier indtil fordampning er observeret. Kun når de neutrale Yb atomer begynder at fordampe og hyppigheden af laser er resonant med 1 S 0-1 P 1 overgangen af en af Yb isotoper, den neutrale Yb atomer vil begynde at absorbere laser lys og igen udsender det sådan, at fluorescens fra Yb kan observeres med EMCCD. Generelt, resonansfrekvenserne måles ved en bølgelængde meter er flyttet fra de nominelle værdier, lige fra snesevis til hundredvis af MHz. Derfor, for hver aktuelle indstilling, scanning laser frekvens med en span række 1 GHz og et skridt på mindre end 50 MHz anbefales.
    12. Når de resonant fluorescens fra naturligt forekommende ovnen er observeret, reducere nuværende indtil fluorescens ikke kan iagttages.
    13. Scanning laser omkring den første resonant frekvens og skrive ned på mængden af fluorescens ved hver resonans. Sammenlign fordelingen af fluorescens styrken og afstanden mellem resonanser med værdier fra 37. Identificere resonans frekvenser til de forskellige isotoper.
      Bemærk: Resonans af 174 Yb er blevet målt til at være ca 751.52646(2) THz. Dog, denne værdi er lidt forskudt af Doppler-effekten, og den målte værdi kan variere afhængigt af nøjagtigheden af måleren bølgelængde.
  4. Fældefangst ioner.
    1. Erstatte 399 nm bandpass filter med 369.5 nm bandpass filter og flytte imaging linsen og EMCCD tilbage til den position opnået taktfast 2.2.13, således at 369.5-nm fluorescens udledes af fanget ioner kan være afbildet på EMCCD. Kontroller justeringen af alle lasere endnu en gang ved at gentage trin 2.2.12 og ved hjælp af UV og IR visning af kort til besigtigelse af beam overlapning.
    2. Kontrollere, at spændinger af DAC enre indstillet korrekt. Aktivere RF generator på en meget lav strømstyringsindstilling og gradvist øge udgangseffekten. Sørg også for, at den reflekterede effekt fra den heliske resonator er stadig et minimum ved at scanne RF frekvens omkring resonans.
      Forsigtig: Sørg for, at den forstærkede spænding på trap chip ikke overstiger opdeling spændingen. I atmosfæretryk, dielektrisk styrke af en SiO 2 film er kendt for at være ca. 10 7 V/cm, men denne værdi kan ikke antages i UHV miljø. Selv om den nøjagtige opdeling spænding i UHV miljøet ikke måles udtrykkeligt, i 8 µm laterale hullet i fælden chip i en 10 -11-Torr vakuum tåler 240 V af RF spænding amplitude i opsætningen af eksperimenterende.
    3. Indstil frekvens af 399-nm laser til resonansfrekvens 174 Yb, identificerede i trin 2.3.13. Indstil frekvens af 935-nm laser til 174 Yb + isotop.
      Bemærk: Med en bølgelængde-meter, 320.57199(1) THz kan bruges, men på grund af den begrænsede nøjagtighed af bølgelængde meter, der kan være en variation op til snese MHz.
    4. Angive hyppigheden af 369.5-nm laser på en værdi, der er ~ 100-200 MHz er mindre end så selv hvis der er nogle unøjagtigheder med måleren bølgelængde resonansfrekvens frekvensen vil være stadig rød-forstemt.
      Bemærk: Her, 200 MHz stemning er trukket fra den forventede resonans når den forventede resonant frekvens af 174 Yb + er omkring 811.29152(1) THz.
    5. Tænder på den aktuelle kilde til ovn og øge nuværende langsomt indtil det når værdien fundet i trin 2.3.12. Vent et par minutter. Hvis ingen ion er fanget, øge nuværende af ~0.1-0.2 A og vente igen. Hvis ion ikke er stadig fanget, kontrollere, om den reflekterede RF er stadig på et minimum og derefter gradvist øge RF generator udgangseffekt.
      Forsigtig: Sørg for, at den forstærkede spænding på trap chip ikke overstiger den forventede opdeling spænding.
    6. Kort blokere 935 nm laser og kontrollere, om der er nogen ændring i billedet.
      Bemærk: Hvis de EMCCD indstillinger (herunder elektron-multiplikation (EM) gevinst, eksponeringstid, og kontrasten i billedet) ikke er inden for et passende interval, selv når en ion er fanget, det er ikke let at fortælle om ændringen af intensitet i nærheden af regionen diffusering er forårsaget af en reel fanget ion eller ændring i spredning af 369.5 nm laser. På grund af IR-filter, kan ikke EMCCD kamera vise nogen ændring i 935 nm laser, så blokerer 935 nm laser ikke gør enhver ændring til billedet når der ikke er nogen fanget ion. Men hvis en ion er fanget, spredning sats på 369.5 nm laser falder markant uden 935 nm laser. Derfor, overgangen til EMCCD billedet forårsaget af blokering 935 nm laser er en god indikator for succes af fældefangst ioner.
      Forsigtig: Hvis 935 nm laser er blokeret for længe, den fangne ion bliver opvarmet og kan undslippe fælden.
    7. Slukke ovnen efter ioner er fanget. Prøv at finde resonans af 369.5 nm laser ved gradvist at øge hyppigheden.
      Bemærk: Som hyppigheden kommer tættere på resonans, spredning sats vil stige, men når resonans er passeret, 369.5 nm laser starter varme ion i stedet for at køle det, som igen forårsager billedet af den fangne ion bliver ustabil. Når resonansfrekvens af 369.5 nm laser er fundet, reducere hyppigheden af laser ved 10 MHz fra resonans.
    8. Skan hyppigheden af 935 nm laser indtil spredning sats på 369.5 nm får maksimeret.
    9. Justere placeringen af imaging objektivet og kameraet er EMCCD indtil billedet af ion skærper.

Representative Results

Figur 7 viser de scanning elektron micrographs (SEM) af opdigtede ion-fælde chip. RF-elektroder, indre DC elektroder, ydre DC elektroder, og loading slot blev med held fremstillet. Dæksiden profilen af de dielektriske søjle blev ujævne fordi PECVD oxid blev deponeret i flere trin. Trinene flere deposition blev brugt til at minimere virkningerne af resterende stress fra tykke oxid film. Dette er yderligere beskrevet i diskussionen.

Figur 8 viser EMCCD billede af fem 174Yb+ ioner fanget ved hjælp af microfabricated ion-fælde chip. De fangne ioner kan vare i mere end 24 timer med kontinuerlig Doppler køling. Antallet af fangne ioner kan justeres mellem 1 og 20 ved at ændre de anvendte DC spænding sæt. Denne eksperimentelle opsætning er meget pålidelig og robust og har i dag været i drift i 50 måneder.

Figur 9 viser shuttling fanget ioner langs den aksiale retning. Ion holdning i figur 9b er fordrevet fra der i figur 9a gennem tilpasning af DC potentielle minimum stilling ved at ændre DC spænding.

Figur 10 viser foreløbige resultater af Rabi svingning eksperimenter med en 171Yb+ ion. For at opnå resultaterne, blev de ekstra opsætninger beskrevet i Supplerende dokument brugt. Resultaterne var medtaget for at vise en potentiel anvendelse af opsætningen af eksperimenterende forklarede i denne avis.

Figure 1
Figur 1: skematisk af den overflade ion trap. (en) røde prikker repræsenterer de fangne ioner. De brune og gule elektroder angiver RF og DC elektroderne, henholdsvis. De grå pile viser retningen af det elektriske felt under positiv fase af RF spænding. Bemærk at skematiske ikke udtrækkes til skala. (b) lodret dimensioner af elektrode struktur. (c) lateralt dimensioner af elektrode struktur. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 2
Figur 2: Forenklet energi-niveau diagrammer af en 174Yb+ ion og en neutral 174Yb atom. (en) når et 369.5 nm laser er forstemt til den røde side (lavere frekvens) af resonans, en cykling overgang mellem 2P1/2 og 2S1/2 reducerer den kinetiske energi af ion på grund af Doppler effekt. Lejlighedsvis, en lille men finite forgrening forhold gør elektron reducering fra 2P1/2 til 2D3/2, og en 935-nm laser er forpligtet til at returnere elektronen tilbage til de vigtigste cykling overgang. Elektronen kan også henfald i en 2F7/2 tilstand en gang i timen, i gennemsnit, og en 638 nm laser kan pumpe det ud af tilstanden 2F7/2 , men det er ikke nødvendigt for et simpelt system38. Værdierne i ket notationen repræsenterer fremskrivninger for de samlede kantede momenta J langs kvantisering akse MøllerJørgensen. (b) til at ionisere neutrale atomer fordampet fra ovnen, en to-foton absorption proces blev brugt39. En 399 nm laser spændt en elektron til 1P1 tilstand, og den 369.5 nm photon for Doppler køling havde mere energi end nødvendigt at fjerne den glade elektron fra ion. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 3
Figur 3: fabrikation proces flow af en overflade ion trap. (en) termisk oxidation til at vokse en 5.000 Å-tykke SiO2 lag og LPCVD af et 2.000 Å-tykke Si3N4 lag. (b) Deposition og ICP ætsning af en 1,5 µm-tyk spruttede Al lag. (c) aflejring af en 14 µm tykt SiO2 lag på begge sider af den wafer ved hjælp af PECVD processer. (d) mønster af 14 µm tykt SiO2 lag deponeret på forsiden af den wafer ved hjælp af en RIE proces (e) mønstre af 14 µm tykt SiO2 lag deponeret på bagsiden af den wafer ved hjælp af en RIE proces. (f) aflejring af en 1,5 µm-tykke spruttede Al lag og en 1 µm tykt PECVD SiO2 lag. (g) mønstre af de 1,5 µm tykt Al lag ved hjælp af en ICP proces og 1 µm-tykke SiO2 lag ved hjælp af en RIE proces. (h) mønstre af 14 µm tykt SiO2 lag deponeret på forsiden af den wafer ved hjælp af en RIE proces. (jeg) mønstre af 5.000 Å-tykke SiO2 lag og 2.000 Å-tykke Si3N4 lag ved hjælp af en RIE proces. (j) DRIE af silicium substrat 450 µm fra bagsiden af wafer. (k) våd-ætsning af SiO2 lag på Al elektroder og dæksider af de dielektriske søjler. (l) Penetration af silicium substrat fra forsiden gennem en DRIE proces. Bemærk at skema ikke er trukket til skala. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 4
Figur 4: et eksempel på DC-spænding, der anvendes til at fælde ioner. Spændinger anvendes på de indvendige skinner kan kompensere for den asymmetriske elektrisk felt i den vandrette retning at vippe de vigtigste akser i det samlede potentiale i et tværplan. Den aksiale fælde frekvens genereret af spænding sæt var 550 kHz. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

ether.Within-side = "1" >Figure 5
Figur 5: skematisk af opsætningen af optiske. Tre diode lasere er justeret for at overlappe ved fældefangst position. Forsænket viewport UHV kammerets tillader imaging linsen skal placeres så tæt som muligt til chippen overflade. En flip-spejl placeret mellem de billeddiagnostiske linse og EMCCD giver mulighed for selektiv overvågning af ion fluorescens ved hjælp af enten en foton ganges tube (PMT) eller en EMCCD. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 6
Figur 6: billeder af de beregnede optisk setup. (en) A coil er viklet omkring den forreste viewport kammer til at generere et magnetfelt, som kan bryde degenererede energi niveauer af ytterbium ioner. (b) den optiske setup til at styre 399 nm og 935 nm bjælker. De røde og grønne linjer angiver strålegang af 935 nm og 399 nm lasere, henholdsvis. (c) konfigurationen af imaging system, herunder flip-spejl, imaging linsen, EMCCD og restkontantrabat Stien til fluorescens udledes fra de fangne ioner kan bestemmes af flip-spejl. De grønne og hvide pile angiver stien til fluorescens når overvåges af EMCCD og ydelse, henholdsvis. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 7
Figur 7: fabrikation resultater af den overflade ion trap. (en) oversigt over chip layout. (b) en forstørret visning af chip-layout, som viser flere ydre DC elektroderne. (c) en forstørret visning af chip layout, som viser lastning slot. (d) en tværsnitsundersøgelse se i regionen fældefangst før gennemtrængende lastning slot. (e) en tværsnitsundersøgelse se i regionen fældefangst efter gennemtrængende lastning slot. (f) A forstørret tværsnits visning af oxid søjle. Oxid søjler har ujævne vægge, og længder af overhæng er ikke tilstrækkelige, som tilskrives en uensartet etch sats på SiO2 på grænsefladerne mellem de separat deponerede 3,5 µm tykt SiO2 lag. (g) A ovenfra af en wire-bonding pad af en DC elektrode. (h) A tværsnits visning af en via. Tilbøjelig profiler af oxid søjler giver mulighed for tilslutning af DC elektrode og jorden lag under aflejring af Al lag på dæksiden oxid søjle i stedet for at udfylde den via huller med en elektroplettering. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 8
Figur 8: et EMCCD billede af fem 174Yb+ ioner fanget på microfabricated ion-fælde chip. Billede af den overflade fælde elektrode struktur blev taget hver for sig, og billeder af de fangne ion og elektroderne blev kombineret for klarhed. Intensitet legenden gælder kun for pixel i boksen. Den tykke pil viser strålegang af 369.5 nm laser og de tynde pile repræsenterer x - og z-komponenter af fremdriften i photon. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 9
Figur 9: justering af aksial potentialet i de fangne ioner i en lineær kæde. (en) syv ioner i midten af fælden. (b) ioner var regelmæssig snese mikrometer. (c) ion strengen presses i aksial retning. Denne figur ses bedst som en film, der overføres særskilt. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 10
Figur 10: Forsøgsresultater af Rabi svingninger mellem de | 0 Image 1 og | 1 Image 1 stater. | 0Image 1 er defineret som 2S1/2| F = 0, mF= 0Image 1 tilstand af 171Yb+ ion, og | 1Image 1 er defineret som 2S1/2| F = 1, mF= 0Image 1 tilstand. Rabi svingning er foranlediget af en 12.6428-GHz mikrobølgeovn. Bloch kugler over plottet viser de tilsvarende quantum stater på forskellige tidspunkter. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Supplerende dokument: Venligst klik her for at downloade dette dokument.

Discussion

Dette papir præsenteret en metode for fældefangst ioner ved hjælp af microfabricated overflade ion fælder. Opførelsen af en ion fældefangst system kræver erfaringer i forskellige forskningsområder, men er ikke tidligere blevet beskrevet i detaljer. Dette papir fastsat detaljerede procedurer for microfabricating en fælde chip såvel som for opbygningen af en eksperimentel opsætning for at fælde ioner for første gang. Dette papir også fastsat detaljerede procedurer for fældefangst 174Yb+ ioner og eksperimentere med fanget ioner.

En væsentlig hindring står over for i microfabrication procedurerne er aflejring af de dielektriske lag med en tykkelse på over 10 µm. Under deposition processen med den tykke dielektriske lag, kan resterende stress bygge op, som kan forårsage skade på de dielektriske film eller endda bryde wafer. For at reducere det resterende stress, som er generelt trykstyrke, bør en langsom deposition sats brugte40. I vores tilfælde, blev en trykstyrke stress 110.4 MPa målt med deposition betingelser af 540 sccm SiH4 strømningshastigheden, 140 W af RF power og 1.9 Torr pres på 5 µm filmtykkelse. Dog giver betingelserne proces kun en ru reference, da disse betingelser kan variere betydeligt til forskelligt udstyr. For at mindske virkningerne af akkumulerede stress, blev 3,5 µm tykt SiO2 film deponeret alternerende på begge sider af wafer i metoden præsenteres. Den krævede tykkelse af de dielektriske lag kan reduceres, hvis en mindre RF spænding amplitude og dermed en fladere fælde dybde er valgt. Men en fladere fælde dybde let fører til udslip af fanget ioner, så fabrikation af tykkere dielektriske lag, der kan modstå højere RF spændinger, er mere ønskeligt.

Der er nogle begrænsninger at metoden fabrikation præsenteres i dette dokument. Længde af udhæng er ikke tilstrækkelige til helt skjule dielektrisk dæksider fra de fangne ioner, som vist i figur 7f. Derudover er dæksider af oxid søjler ujævne, øger det eksponerede område dielektrisk dæksider i forhold til den lodrette oxid søjle. For eksempel, i tilfælde af dæksiden af indre DC skinnen nær lastning slot med en 5 µm ensartet udhæng, er det beregnet, at 33% af de dielektriske overflade er udsat for fanget ion placeringen af lodret dæksiden. I sagen jagged edge er mere end 70% af området dæksiden udsat. Disse ikke-ideelle fabrikation resultater kan fremkalde ekstra omstrejfende felter fra de udsatte dielectrics, men effekten er ikke kvantitativt målt. Ikke desto mindre, den opdigtede chip som rapporteret ovenstående held har været anvendt i ion diffusering og qubit manipulation eksperimenter. Derudover har fælde chip præsenteret i dette papir udsat silicium sidevæggene nær lastning slot. Native oxid kan vokse på silicium overflader og kan resultere i yderligere omstrejfende felter. Det anbefales derfor, at beskytte silicium bærematerialet med en ekstra metal lag, som i33.

Hvis du vil diffusere 174Yb+ ioner, hyppigheden af lasere bør blive stabiliseret inden for et par snese MHz, og et par forskellige metoder er drøftet i avancerede opsætninger38,41. For den simple opsætning drøftes i dette dokument, er indledende diffusering dog muligt kun med stabilisering ved hjælp af en bølgelængde meter.

Dette papir leveret en protokol for at fælde 174Yb+ ioner ved hjælp af en microfabricated overflade ion-fælde chip. Selv om protokollen for fældefangst 171Yb+ ioner ikke er specifikt drøftet, kan eksperimentelle konfigurationen som beskrevet i dette papir også bruges fælde 171Yb+ ioner og manipulere qubit delstaten 171 Yb+ ioner at opnå Rabi svingning resultater (vist i figur 10). Dette kan gøres ved at tilføje flere optiske modulatorer til output af lasere og ved hjælp af en mikrobølgeovn opsætning, som beskrevet i det Supplerende dokument.

Afslutningsvis, kan eksperimentelle metoder og resultater præsenteret i dette papir bruges til at udvikle forskellige quantum oplysninger applikationer ved hjælp af overflade ion fælder.

Disclosures

Forfatterne har ikke noget at oplyse.

Acknowledgments

Denne forskning blev delvist støttet af Ministeriet for videnskab, IKT, og fremtidige planlægning (MSIP), Korea, under Information Technology Research Center (ITRC) support program (IITP-2017-2015-0-00385) og ICT R & D program (10043464, udvikling af Quantum repeater teknologi for ansøgning til kommunikationssystemer), overvåget af Institute for Information & Communications Technology fremme (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 sag 126 Ion trap microfabrication quantum oplysninger ioner qubit ytterbium ultra-højt vacuum overflade ion trap
Eksperimentelle metoder til fældefangst ioner ved hjælp af Microfabricated overflade Ion fælder
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