Dette dokumentet presenterer en microfabrication metode for overflate ion feller, samt en detaljert eksperimentelle prosedyren for overtrykk ytterbium ioner i romtemperatur omgivelser.
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.
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.
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.
The authors have nothing to disclose.
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).
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 |