이 문서는 방 온도 환경에서 트랩이 터 븀 이온에 대 한 상세한 실험 절차로 서 표면 이온 트랩에 대 한 제작 방법론을 선물 한다.
이온은 사중 극 자 폴 함정에에서 갇혀 있다 양자 정보 처리를 구현 하는 강한 물리적 후보 중 하나 간주 되었습니다. 이것은 그들의 긴 일관성 시간 및 그들의 기능을 조작 하 고 개별 양자 비트 (qubits)를 감지입니다. 더 최근 몇 년 동안, ﹙ 표면 이온 트랩 대규모 통합된 큐 비트 플랫폼에 대 한 더 많은 관심을 받았습니다. 이 문서에서는 마이크로 전자 기계 시스템 (MEMS) 기술을 사용 하 여 이온 트랩에 대 한 제작 방법론 설명, 14 µ m 두께 유 전체 층과 금속 제조 방법 등 구조 유 전체 층 위에 돌출. 또한,이 터 븀 (Yb)의 이온 동위 원소 174 (174Yb+) 369.5를 사용 하 여 트래핑에 대 한 실험 절차 nm, 399 nm, 935 nm 다이오드 레이저 설명 됩니다. 이러한 방법론 및 절차 참여 많은 과학 및 엔지니어링 분야, 그리고이 종이 먼저 자세한 실험 절차를 제공 합니다. 이 문서에서 설명한 메서드 동위 원소 171 (171Yb+)의 Yb 이온의 트래핑 및 qubits의 조작에 쉽게 확장할 수 있습니다.
폴 트랩 입자, 정적 전기 필드와 라디오 주파수 (RF), 진동 하는 다양 한 전기 분야의 조합을 사용 하 여 빈 공간에 이온을 포함 한 제한 수 및 함정에 이온의 양자 상태를 측정할 수 있다 고 1,2,3제어. 이러한 이온 트랩 광 시계 및 질량 분광학4,,56을 포함 하 여 정확한 측정 어플리케이션에 대 한 원래 개발 되었다. 최근 몇 년 동안, 이러한 이온 함정 또한 적극적으로 탐험 되어으로 양자 정보 처리를 구현 하는 실제 플랫폼 일관성 시간 오래 같은 덫을 놓은 이온의 바람직한 특성에는 초고에 이상적인 절연 진공 (UHV) 환경, 그리고 개별 큐 비트 조작7,8,,910의 타당성. Kielpinski 외이후. 11 양자 컴퓨터, 표면 트랩, 접합 트랩12,13, 2 차원 배열, 다중 영역 트랩 칩14, 등의 다양 한 종류를 개발 하는 데 사용할 수 있는 확장 가능한 이온 트랩 아키텍처 제안 트랩15,,1617, 반도체 프로세스 파생 제작 방법18,19,20,21 사용 하 여 개발 되었습니다. . 대규모 양자 정보 처리 시스템은 표면에 따라 함정도 있다22,,2324논의.
이 종이 ﹙ 표면 이온 트랩을 사용 하 여 트래핑 이온에 대 한 실험 방법을 제공 합니다. 좀 더 구체적으로, 날조 표면 이온 트랩 및 트랩 이온 조작된 트랩을 사용 하 여에 대 한 자세한 절차에 대 한 프로시저를 설명 합니다. 또한, 실험 시스템을 설정 하 고 이온을 트래핑에 대 한 다양 한 실용적인 기술에 대 한 자세한 설명은 보충 문서에 제공 됩니다.
Microfabricating에 대 한 방법론 표면 이온 트랩 1 단계에서 제공 됩니다. 그림 1 표면 이온 트랩의 단순화 된 회로도 보여준다. 가로 평면에서 전극에 적용 된 전압에 의해 생성 된 전기 분야는25도 표시 됩니다. 동안 다른 모든 전극 RF 접지;에 RF 전압 RF 전극의 쌍에 적용 됩니다. ponderomotive 잠재적인26 RF 전압에 의해 생성 된 이온 반지름 방향 제한 합니다. 여러 DC 전극 RF 전극 외부에 적용 되는 직류 (DC) 전압 한정 경도 방향으로 이온. RF 전극 사이 내부 레일 가로 평면에서 총 잠재력의 주요한 도끼를 기울 수 있도록 설계 되었습니다. DC 전압 세트를 디자인 하기 위한 방법론은 보충 문서에 포함 됩니다. 또한, 표면 이온 트랩 칩의 필수적인 형상 매개 변수 설계에 대 한 자세한 내용은27,,2829,,3031에서 찾을 수 있습니다.
1 단계에서 도입 된 제조 방법은 다음과 같은 측면을 고려 하 고 설계 되었습니다. 첫째, 전극 층 및 지상 층 사이의 유 전체 레이어 레이어 간에 전기 분해를 방지 하기 위해 충분히 두꺼운 되어야 합니다. 일반적으로, 두께 10µm 이상 되어야 합니다. 두꺼운 유 전체 층의 증 착 동안 예금 된 영화에서 잔류 응력 기판 또는 손상 예금 된 영화에의 굴복을 발생할 수 있습니다. 따라서, 잔류 응력 제어 표면 이온 트랩의 제조에 핵심 기술 중 하나 이다. 둘째, 길 잃은 요금 흩어져 자외선 (UV) 레이저, 이온의 임의의 변화에 차례 결과에 위치 하 여 유 전체에 유도 될 수 있다 때문에 이온 위치로 유 전체 표면에의 노출을 최소화 한다. 오버행 전극 구조를 설계 하 여 노출된 영역을 줄일 수 있습니다. 그것은 그 일반적인 실험 조건32에서 충전 저항 전극 돌출부와 이온 함정을 표면으로 알려졌다. 셋째, 다양 한 예금 된 영화를 포함 하 여 모든 자료, 약 2 주 동안 제빵 200 ° C를 견딜 수 있어야 하 고 모든 자료에서 가스 방출의 양을 UHV 환경와 호환 되어야 합니다. 이 종이 표면 이온 트랩 칩 ﹙의 디자인은33, 다양 한 실험32,,3334, 에서 성공적으로 사용 되었다에서 트랩 디자인 기반 35.이 디자인에 가운데는 칩 슬롯 포함 나중은 중립 원자 로드 사진-이온 트랩에 대 한 참고.
이온 트랩 칩 제작 후 칩 탑재 하 고 전기 골드 본딩 와이어를 사용 하 여 칩 캐리어에 연결. 칩 캐리어 UHV 챔버에 설치 합니다. 트랩 칩 패키지 및 UHV 챔버의 설계를 준비 하기 위한 상세한 절차는 추가 문서에 제공 됩니다.
트래핑 이온에 대 한 광학 및 전기 장비, 실험 절차의 준비 단계 2에서에서 자세히 설명 합니다. 잠재적인 ponderomotive에 의해 갇혀 이온은 지속적으로 이온의 평균 운동 에너지 증가 주변의 전기장의 변동에 따라 일반적으로. 레이저 도플러 이동에 따라 냉각 이온의 움직임에서 과잉 에너지를 제거 하려면 사용할 수 있습니다. 그림 2 는 174Yb+ 이온 그리고 중립 174Yb 원자의 단순화 된 에너지 수준 다이어그램을 보여 줍니다. 174Yb+ 이온의 도플러 냉각 369.5 nm 레이저 및 935-nm 레이저 사진-중립 174Yb 원자의 이온화 399-nm 레이저를 필요로 하는 동안 필요 합니다. 2.2 및 2.3 단계 이러한 레이저 표면 이온 트랩 칩 및 사진-이온화에 대 한 적절 한 조건을 찾을 수 절차를 정렬 하는 효율적인 방법을 설명 합니다. 광학 및 전기 부품, 준비 후 이온을 트래핑 하는 것은 비교적 간단 합니다. 트래핑 이온에 대 한 실험 순서는 단계 2.4에서에서 제공 됩니다.
이 문서는 트래핑 이온 ﹙ 표면 이온 트랩을 사용 하는 방법을 제시. 이온 트랩 시스템의 건설 다양 한 연구 분야에서 경험을 필요 하지만 이전 세부 사항에서 설명 하지 않는. 이 종이 microfabricating 처음으로 이온을 트래핑 하는 실험적인 체제 구축에 관해서는 뿐만 트랩 칩에 대 한 자세한 절차를 제공 합니다. 이 종이 또한 174Yb+ 이온을 트래핑 하 고 덫을 놓은 이온으로 실험에 대 한 자세한 절차를 제공 합니다.
제작 절차에 직면 하는 중요 한 장애물은 10 µ m의 두께 가진 유 전체 층의 증 착. 두꺼운 유 전체 층의 증 착 과정 중 잔류 응력 유 전체 필름에 손상을 일으킬 수 있는 하거나 심지어는 웨이퍼를 휴식, 구축할 수 있습니다. 일반적으로 압축은, 잔여 스트레스를 줄이기 위해 느린 증 착 속도 사용된40이어야 한다입니다. 우리의 경우 SiH4 가스 유량, 140 W의 RF 전원 및 1.9 Torr 압력에서 5 µ m 두께의 540 sccm의 증 착 조건 110.4 MPa의 압축 스트레스 측정 했다. 그러나, 이러한 프로세스 조건 이후 이러한 조건이 크게 다른 장비에 대 한 다를 수 있습니다만 거친 참조를 제공 합니다. 누적 된 스트레스의 영향을 줄이기 위해 3.5 µ m 두께 SiO2 영화 복선 제시 방법에 웨이퍼의 양쪽에 예금 되었다. 경우 작은 RF 전압 진폭 유 전체 층의 필요한 두께 줄일 수 있습니다 하 고 따라서 얕은 트랩 깊이 선택 됩니다. 그러나, 얕은 트랩 깊이 쉽게 리드 갇힌된 이온의도 주에 그래서 더 높은 RF 전압을 견딜 수 있는 두꺼운 유 전체 층의 제조 더 바람직합니다.
이 문서에 소개 된 제조 방법에는 몇 가지 제한이 있습니다. 그림 7 층에서처럼는 돌출부의 길이 완전히 갇힌된 이온에서 절연 측 벽을 숨기려고 충분 하지 않습니다. 또한, 산화물 기둥의 측 벽 들쭉날쭉한, 수직 산화물 기둥에 비해 절연 측 벽의 노출된 영역을 증가. 예를 들어 5 µ m의 균일 한 오버행 로드 슬롯 근처 내부 DC 레일의 측 벽의 경우 그것은 유 전체 표면의 33% 수직 측 벽의 덫을 놓은 이온 위치에 노출 되어 계산 됩니다. 들쭉날쭉한 가장자리 경우에서 측 벽 면적의 70% 이상 노출 됩니다. 이러한 비 이상적 제조 결과 노출된 유에서 추가 처진 분야를 일으킬 수 있지만 효과 양적 측정 하지는. 그럼에도 불구 하 고, 위의 보고 조작된 칩은 이온 트랩 및 큐 비트 조작 실험에 성공적으로 사용 되었습니다. 또한,이 문서에 소개 된 트랩 칩 로드 슬롯 근처 실리콘 측 벽을 노출 했다. 네이티브 산화 실리콘 표면에 성장할 수 있고 추가 처진 분야에서 발생할 수 있습니다. 따라서,33처럼도 색 되지 않은 금속 레이어 추가 실리콘 기판 보호 하는 것이 좋습니다.
174Yb+ 이온 함정, 몇 수십 MHz, 내 레이저의 주파수를 안정화 하 고 몇 가지 다른 방법에 대해서는 고급 설정38,41에서 설명. 그러나,이 문서에서 설명 하는 간단한 설치 프로그램에 대 한 초기 트래핑은 안정화 파장 미터를 사용 하 여 함께.
이 종이 174Yb+ 이온 ﹙ 표면 이온 트랩 칩을 사용 하 여 트랩 프로토콜을 제공 합니다. 171Yb+ 이온을 트래핑에 대 한 프로토콜은 구체적으로 설명 하지, 하지만이 문서에 설명 된 실험 설정 또한 사용할 수 있습니다 171Yb+ 이온을 트래핑 하 고 171의 큐 비트 상태를 조작 하 Yb+ 이온 결과 얻기 위해 Rabi 진동 ( 그림 10에 표시 된). 이 레이저의 출력에 여러 광학 변조기를 추가 하 여 및 보충 문서에 설명 된 대로 전자 레인지 설치를 사용 하 여 수행할 수 있습니다.
결론적으로, 실험 방법 및 결과이 문서에 소개 된 표면 이온 트랩을 사용 하 여 다양 한 양자 정보 응용 프로그램 개발에 사용할 수 있습니다.
The authors have nothing to disclose.
이 연구는 과학, 정보 통신의 정부에 의해 부분적으로 지원 하 고 미래 계획 (MSIP), 한국 정보 기술 연구 센터 (ITRC)에서 지원 프로그램 (IITP-2017-2015-0-00385)와 ICT R & D 프로그램 (10043464, 개발의 정보에 대 한 연구소 주관 양자 중계기 기술 통신 시스템에 응용 프로그램에 대 한), & 통신 기술 진흥 (IITP).
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-SDi01-25×36 | |
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 |