Waiting
Login processing...

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

Engineering

Experimentella metoder för fångstmetoder joner använder biochips yta Ion fällor

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

Detta dokument presenterar en mikrofabrikation metod för surface ion fällor, liksom en detaljerad experimentella förfarandet för svällning Ytterby joner i en rumstemperatur miljö.

Abstract

Joner som instängd i en quadrupole Paul fällan har ansetts vara en av de starka fysiska kandidaterna att genomföra quantum informationsbehandling. Detta beror på deras långa samstämmighet tid och deras förmåga att manipulera och identifiera enskilda kvantbitar (qubits). På senare år, har biochips ytan ion fällor fått mer uppmärksamhet för storskaliga integrerade qubit plattformar. Detta dokument presenterar en mikrofabrikation metod för Jon fällor med mikro-Elektro-mekaniska system (MEMS) teknik, inklusive fabrication metoden för en 14 µm tjock dielektriska skikt och metall överhäng strukturer ovanpå det dielektriska skiktet. Dessutom en experimentell förfarande för svällning ytterbium (Yb) joner av isotopen 174 (174Yb+) använder 369,5 nm, 399 nm, och 935 nm diodlaser beskrivs. Dessa metoder och förfaranden som involverar många vetenskapliga och tekniska discipliner, och denna uppsats först presenterar de detaljerade experimentella rutiner. De metoder som diskuteras i detta dokument kan enkelt förlängas till fångst av Yb joner av isotopen 171 (171Yb+) och manipulering av qubits.

Introduction

En Paul fälla kan begränsa laddade partiklar, inklusive joner i tomma rymden, med hjälp av en kombination av ett statiskt elektriskt fält och ett varierande elektriska fält oscillerande på radiofrekvens (RF), och quantum påstår av jonerna begränsas i fällan kan mätas och kontrollerade1,2,3. Sådan ion fällor framkallades ursprungligen exakt mätning applikationer, inklusive optiska klockor och massa spektroskopi4,5,6. Under senare år har har dessa ion fällor också aktivt undersökts som en fysisk plattform för att genomföra den quantum informationsbehandling tillskrivs de önskvärda egenskaperna av fångade joner, som länge samstämmighet gånger, perfekt isolering i en ultra-hög vakuum (UHV) miljö och genomförbarheten av enskilda qubit manipulation7,8,9,10. Sedan Kielpinski et al. 11 föreslås en skalbar ion-fällan arkitektur som kan användas för att utveckla kvantdatorer, olika typer av yta fällor, inklusive junction fällor12,13, multi-zon fällan marker14och 2-d-matris fällor15,16,17, har utvecklats med hjälp av halvledare process-derived mikrofabrikation metoder18,19,20,21 . Storskaliga kvantmekaniska system för informationsbehandling baserat på ytan fällor har också diskuterat22,23,24.

Detta dokument presenterar experimentella metoder för fångstmetoder joner använder biochips ytan ion fällor. Mer specifikt, beskrivs ett förfarande för att fabricera ytan ion fällor och ett detaljerat förfarande för fångstmetoder joner använder påhittade fällor. Dessutom finns detaljerade beskrivningar av olika praktiska tekniker för inrättandet av det experimentella systemet och fångstmetoder joner i Kompletterande dokument.

Metoden för microfabricating en yta ion trap ges i steg 1. Figur 1 visar en förenklad Schematisk av en yta ion trap. De elektriska fält som alstras av den spänning som tillämpas på elektroderna i tvärplanet visas också25. En RF spänning till para av RF elektroder, medan alla andra elektroderna hålls på RF marken; den ponderomotive potentiella26 genereras av RF spänning begränsar jonerna i radiell riktning. Likström (DC) spänningen tillämpas flera DC elektroderna utanför RF elektroderna begränsa jonerna i längsgående riktning. Inre rälsen mellan RF elektroderna är utformade för att luta de främsta yxorna totala potential i tvärplanet. Metoden för att designa en DC spänning setet ingår i Kompletterande dokument. Dessutom kan mer Detaljer för att utforma de grundläggande geometriska parametrarna surface ion-fälla marker hittas i27,28,29,30,31.

Fabrication metoden infördes i steg 1 har utformats med tanke på följande aspekter. Först bör det dielektriska skiktet mellan elektrod lagret och marken lagret vara tillräckligt tjock för att förhindra elektrisk uppdelning mellan skikten. I allmänhet bör tjocklek över 10µm. Under nedfall av lagrets tjock dielektriska, kan restspänning från deponerade filmerna orsaka bugande av substrat eller skador till deponerade filmerna. Således, styra restspänning är en av de viktigaste teknikerna vid tillverkning av surface ion fällor. Exponeringen av de dielektriska ytorna till ion position bör det andra minimeras eftersom herrelösa avgifter kan induceras på dielektriska material av spridda ultraviolett (UV) laser, som i sin tur resulterar i en slumpmässig förskjutning Ion position. Det exponerade området kan minskas genom att utforma överhäng elektrod strukturer. Det har rapporterats att ytan ion fällor med elektrod överhäng är resistenta mot laddning under typiska försöksbetingelser32. Tredje, allt material, inklusive olika insatta filmer, bör tåla 200 ° C och baka i cirka 2 veckor, och mängden utgasning från allt material bör vara förenliga med UHV miljöer. Utformningen av den surface ion-fälla marker biochips i denna uppsats baseras på fällan design från33, som användes framgångsrikt i olika experiment32,33,34, 35. Observera att denna design inkluderar en slot mitt chip för lastning neutrala atomer, som är senare foto-joniserat för svällning.

Efter tillverkning av ion-fällan chip, chip monteras och elektriskt ansluten till chip transportören använder guld limning trådar. Flisförare installeras sedan i en UHV kammare. Ett detaljerat förfarande för att förbereda en fälla chip paketet och utformningen av UHV kammaren finns i Kompletterande dokument.

Beredning av den optiska och elektriska utrustningen samt de experimentella rutiner för fångstmetoder joner, förklaras i detalj i steg 2. De joner som fångade av den potentiella ponderomotive är i allmänhet omfattas av fluktuationer i det omgivande elektriska fältet, som kontinuerligt ökar den genomsnittliga kinetic energin av joner. Laser kylning baserat på Dopplereffekten kan användas för att ta bort överskottsenergin från rörelse av joner. Figur 2 visar de förenklade energinivå diagram av en 174Yb+ ion och en neutral 174Yb atom. Doppler kylning av 174Yb+ joner kräver en 369,5-nm laser och en 935-nm laser, medan foto-jonisering av neutrala 174Yb atomer kräver en 399-nm laser. Steg 2.2 och 2.3 beskriver en effektiv metod för att justera dessa lasrar att surface ion-fälla chip och ett förfarande för att hitta rätt förutsättningar för foto-jonisering. Efter de optiska och elektriska komponenterna är förberett, är fångstmetoder joner relativt okomplicerad. Den experimentella sekvensen för fångstmetoder joner presenteras i steg 2,4.

Protocol

1. tillverkning av Ion-fällan Chip för

  1. mikrofabrikation av surface ion-fälla chip.
    Obs: De process villkor beskrivs i detta avsnitt ger endast en grov referens, eftersom de optimala parametrarna för varje process kan variera kraftigt för olika utrustning. Temperaturförhållandena ges endast för hög temperatur processer, såsom oxidation och kemisk förångningsdeposition. Tillverkningsprocessen utförs med 100 mm diameter kiselskivor.
    1. Förbered en enda kristallint kisel wafer med en tjocklek på 500-525 µm och rengör den med piranha lösning för 15 min.
    2. Termiskt oxidera kisel rånet i en panna tub att bilda 0,5 µm tjock SiO 2 dielektriska skikt på båda sidor.
      Obs: Dessa lager kan elektriskt isolera kisel substrat från marken lagret. De processparametrar som används i våt-oxidation var: O 2 flöde av 6.500 sccm, N 2 flöde av 5.000 sccm, H 2 flöde av 7.000 sccm, bearbeta temperatur 900 ° c och processtid 4.5 h (se tabellen i Material för utrustning detaljer).
    3. Insättning 0,2 µm tjock Si 3 N 4 lager på båda sidor om rånet med en low-pressure chemical vapor deposition (LPCVD) process ( figur 3a) för att skydda termisk oxid lager under den våt-etsning process visas i figur 3 k.
      Obs: De processparametrar som används i LPCVD processen är: H 2 SiCl 2 flöde av 30 sccm, NH 3 flödeshastighet av 100 sccm, pressa av 200 mTorr och processtemperaturen 785 ° c. Detta resulterar i en beläggningshastighet 40 Å / min (se Tabell av material för utrustning detaljer).
    4. Insättning ett 1,5 µm tjock Al/Cu (1%) lager på rånet med hjälp av en sputtring process och följande parametrar: Ar flödeshastighet 40 sccm, tryck på 2 mTorr och RF-effekten på 300 W.
      Obs: Detta resulterar i en beläggningshastighet 130 Å / min (se Tabell av material för utrustning detaljer).
      Obs: Detta lager ger ett jordplan förhindra RF förlust genom kisel substrat och ger också kontaktpunkter för tråd-limning kuddar. Aluminiumlegering med 1% koppar används för att förhindra morrhår bildning under gräddningen att uppnå en UHV miljö. Denna sammansättning är avgörande för morrhår förebyggande.
    5. Snurra ett 2 µm tjock positiv fotoresist lager på rånet och lithographically mönster för att definiera RF avskärmning plan och wire-limning pads.
      Obs: Processparametrarna för de 2 µm tjock fotoresist är: spin varvtal 5000 rpm, snurra tid 40 s, före baka temperatur på 95 ° C, före baka tid 90 s, exponering energi av 144 mJ/cm 2, utveckla tid 60 s, efter baka temperatur på 110 ° C och efter baka tid på 5 min (se Tabell av material för kemiska och utrustning detaljer).
    6. Mönster 1,5 µm tjock Al/Cu (1%) lager med en konventionell torretsning process (reactive ion etsning (RIE) eller induktivt kopplad plasma (ICP) etsning), med den fotoresist mönstrade i steg 1.1.5 som etsning mask.
      Obs: En ICP etsare bör användas med följande processparametrar: BCl 3 flödeshastighet av 20 sccm, Cl 2 flöde av 30 sccm, trycket från 5 mTorr och RF-effekten på 750 W. Detta resulterar i en etch andelen 3.600 Å/min (se Tabell av material för utrustning detaljer).
    7. Ta bort den fotoresist används i 1.1.6 usung en O 2 plasma föraskning steg ( figur 3b).
      Obs: Processparametrarna för föraskning processen är: O 2 flöde av 150 sccm, pressa av 0,75 mTorr och RF power 300 W (se Tabell av material för utrustning detaljer).
    8. Sätta in en 14 µm tjock SiO 2 skikt på båda sidor om rånet med hjälp av plasma-förbättrade chemical vapor deposition (PECVD) processer ( figur 3 c).
      Obs: De processparametrar som används i PECVD processen är: SiH 4 flödeshastighet av 540 sccm, pressa av 1,9 Torr, processen temperatur 350 ° c och RF-effekten på 750 W. Detta resulterar i en beläggningshastighet 3000 Å / min (se Tabell av material för utrustning detaljer). Eftersom deponering 14 µm tjock SiO 2 lagret är en av de svåraste processerna, Detaljer beskrivs ytterligare i diskussion.
    9. Snurra ett 6 µm tjock positiv fotoresist lager på framsidan av rånet och lithographically mönster för att definiera via-hål för att elektriskt ansluta DC elektroder till tråd-limning dynorna.
      Obs: Processparametrarna för de 6 µm tjock fotoresist är: spin varvtal 5000 rpm, snurra tid 40 s, före baka temperatur på 95 ° C, före baka tid 5 min, exponering energi av 900 mJ/cm 2, utveckla tid på 10 min, efter baka temperatur på 110 ° C och efter baka tid på 5 min (se Tabell av material för kemiska och utrustning detaljer).
    10. Mönster 14 µm tjock SiO 2 lagret på framsidan av rånet med hjälp av en konventionell RIE med den fotoresist mönstrade i steg 1.1.9 som etsning mask.
      Obs: Processparametrarna för SiO 2 etsning är: CHF 3 flödeshastighet av 25 sccm, CF 4 flödeshastighet av 5 sccm, Ar flödeshastighet av 50 sccm, pressa av 130 mTorr och RF-effekten på 600 W. Detta resulterar i en etch andelen 3.600 Å/min (se Tabell av material för utrustning detaljer).
    11. Ta bort den fotoresist använde i steg 1.1.10 med en O 2 plasma blinkande process. Doppa rånet i en uppvärmd vätska eller Sonikera det innan blinkande ( figur 3d).
    12. Snurra ett 6 µm tjock positiv fotoresist lager på baksidan av rånet och lithographically mönster för att bilda en oxid hård mask för deep reactive ion etsningen (DRIE) av kisel substrat ( figur 3j).
    13. Mönster 14 µm tjock SiO 2 lager på baksidan av rånet med hjälp av en konventionell RIE med fotoresist mönstrade i steg 1.1.12 som etsning mask.
    14. Ta bort den fotoresist använde i steg 1.1.13 med en O 2 plasma blinkande process ( figur 3e).
    15. Insättning ett 1,5 µm tjock Al/Cu (1%) skikt, som används som elektroden med en sputtring process.
    16. Sätta in en 1 µm tjock SiO 2 lager på rånet med hjälp av en PECVD process ( figur 3f).
    17. Snurra ett 2 µm tjock positiv fotoresist lager på rånet och lithographically mönster för att definiera elektroderna.
    18. Mönster 1,5 µm tjock Al/Cu (1%) och den 1 µm tjock SiO 2 skikt med en konventionell ICP etsning process, med fotoresist mönstrade i steg 1.1.17 som etsning mask.
    19. Ta bort den fotoresist använde i steg 1.1.18 med en O 2 plasma blinkande process ( figur 3 g).
    20. Snurra ett 6 µm tjock positiv fotoresist lager på rånet och lithographically mönster för att definiera de 14 µm tjock oxid pelare mönsterna.
    21. Mönster 14 µm tjock SiO 2 lager med hjälp av en konventionell RIE med fotoresist mönstrade i steg 1.1.20 som etsning mask.
    22. Ta bort den fotoresist använde i steg 1.1.21 med en O 2 plasma blinkande process ( figur 3 h).
    23. Snurra ett 6 µm tjock positiv fotoresist lager på rånet och lithographically mönster för att exponera den lastning slot.
    24. Mönster i SiO 2 och Si 3 N 4 lager med hjälp av en konventionell RIE bearbeta, med den fotoresist mönstrade i steg 1.1.23 som etsning mask.
    25. Ta bort den fotoresist använde i steg 1.1.24 med en O 2 plasma blinkande process ( figur 3i).
    26. Mönster kisel substrat från baksidan av rånet med hjälp av en DRIE process ( figur 3j).
      Obs: Etch djupet bör mätas upprepade gånger för att förhindra penetration av kisel substrat från baksidan. Målet för etch djup är ca 450-470 µm. DRIE processen utfördes med iterationer av C 4 F 8 nedfall för 5 s, C 4 F 8 etch för 3 s, och Si etch för 5 s. I C 4 F 8 nedfall steg C 4 F 8 flödesområde, var SF 6 och Ar 100, 0,5 30 sccm, respektive. Observera att Ar används för att påskynda etch andelen C 4 F 8 och Si, men det används också i C 4 F 8 nedfall steg, med det samma flödet, att stabilisera trycket villkoret. I C 4 F 8 etch steg, flödesområde vändes till 0,5, 50 och 30 sccm, respektive. I Si etch steg, flödesområde 0,5, 100 och 30 sccm, respektive användes. Den RF-effekten och kammare trycket sattes till 825 W och 23 mTorr i alla steg. För dessa villkor, etch Si var 1 µm för varje slinga (se Tabell av material för utrustning detaljer).
    27. Dice rånet i 10 mm x 10 mm bitar med hjälp av en tärning maskin.
    28. Koppla tärningstävling tejpen från die genom att doppa det i aceton för 5 min. Rengör dö genom att doppa den i rinnande avjoniserat vatten (DI) vatten för 10 min och isopropylalkohol (IPA) för 2 min. torka i 2 min på 110 ° C.
    29. Etch sidoväggarna av oxid pelarna att fabricera elektrod överhäng strukturer med hjälp av en oxid våt etsning process för 60 s i en buffrad oxid etsmedlet (BOE), vilket är (NH 4 F:HF = 6:1) ( figur 3 k). Rengör dör genom att doppa den i rinnande DI vatten för 10 min och IPA för 2 min. torka i 2 min på 110 ° C.
    30. Penetrera det slit-formade ion laddar hål från framsidan av tärningen med hjälp av en DRIE.
      Obs: Tillverkningsprocessen av ion-fällan chips är klar vid detta steg ( figur 3 l).

2. Utarbetande av optiska och elektriska utrustning samt fångstmetoder joner

Obs: fabricerade fälla chipet är förpackad med chip bärare, och chip transportören är installerad i en UHV kammare. Medan förfaranden för fabricera trap-chip paketet och förbereda UHV kammaren tillhandahålls i Kompletterande dokument, detta avsnitt beskriver detaljerna för inrättande av optiska och elektriska utrustning och fångstmetoder joner.

  1. Beredning av elanslutningar.
    1. Connect en flerkanalig digital-till-analog omvandlare (DAC) till genomföring på baksidan av UHV kammaren att tillämpa spänning motsvarande DC kontroll elektroderna.
      Obs: Bild 4 visar ett exempel på den spänning som tillämpas på den trap-chipet. Den detaljerna metoden för att utforma sådana triss DC spänning beskrivs i Kompletterande dokument.
    2. Anslut en aktuell källa till en ugn stift i genomföring baktill.
    3. Lägga till en riktad kopplare mellan en RF-generator och spiralformade resonator. Anslut signalen från RF-generatorn till utdataport av den riktad kopplare. Också, anslut ingångsporten av riktade fästet till ingångsporten av spiralformade resonator.
      Obs: Den här konfigurationen möjliggör övervakning reflekterade kraften från den spiralformade resonator 36.
    4. Justera positionen av spiralformade resonator GJP och skanna frekvensen av generatorn att hitta frekvensen vid vilken reflektion är ett minimum. Upprepa detta steg tills den globala minst hittas.
      Obs: Frekvensen på global minimum är resonansfrekvens. Användning av en spektrumanalysator med en tracking generator alternativet eller mätning av parametern S 11 med en nätanalysator kan förenkla avsökningen förlopp för minsta eftertanke. Om någon av de elektriska anslutningarna med en DAC spänningskälla eller aktuella källan för ugnen ändras, impedansen hos den RF genomföring ändras och resonansfrekvensen kommer att skifta.
    5. Stäng av RF-generatorn.
      Varning: När spiralformade resonator tillämpar RF högspänning till fällan, ändra inte några elektriska anslutningar som kan orsaka impedans förändringar. Plötslig impedans förändringar kan enkelt bränna limning trådar av chipet.
  2. Justering av 369.5 nm laser och imaging system.
    1. Collimate 369,5-nm laser från en optisk fiber med en kollimator och försöka matcha höjden av kollimator från ytan av tabellen optisk till höjden av chip; göra balken sprids horisontellt.
    2. Ange förökningsmaterial riktning mot kollimerad 369,5-nm strålen mot fällan chip, genom antingen vänster eller höger visningsområdet av UHV kammaren, som visas i figur 5. Grovt justera den så att laserstrålen sprider parallell till trap-chip ytan och nästan vidrör ytan av chip.
    3. Montera en fokuserande lins för 369,5-nm laser på en översättning scen. Placera fokus linsen längs förökningsmaterial riktning så att lasern kommer att vara fokuserade i närheten av svällning position ovanför chip och så att en fokuserad laser propagerar längs trap-chip ytan. Justera positionen för fokuserande linsen med översättning scenen; positionen för laser beam fokus kommer att följa rörelsen av fokuserande linsen.
    4. Plats en hög-numeriska-bländare imaging lins monterad på en översättning scen framför UHV kammaren, med tanke på avståndet från chip ytan ( figur 5).
    5. Justera 369,5-nm balken med trap-chip ytan så att det finns viss mängd laser spridning från chip ytan.
      Obs: Det spridda ljuset som samlas in av imaging linsen kommer att bilda en svag bild runt bildplanet av linsen. Denna bild kan vanligtvis observeras, även med fluorescerande papper när området är tillräckligt mörkt.
    6. Justera positionen för imaging objektivet tills bilden på det fluorescerande papperet blir skarp.
    7. Plats en elektron-multiplicerade debiteras-kopplade enhet (elektrisk) monterad på en översättning scen, med tanke på placeringen av imaging planet av linsen, hittade i föregående steg.
    8. Montera en infraröd (IR) filter framför den elektrisk blockera svartkroppsstrålning från ugnen när ugnen är uppvärmd för avdunstning.
    9. Montera en 369,5-nm bandpassfilter framför den elektrisk att blockera bakgrundsljus.
    10. Jämför bilden av elektrisk med layouten av elektroderna. Justera positionerna för elektrisk och bild objektivet tills elektroderna kan ses med elektrisk. Justera både imaging linsen och elektrisk tills bilden blir skarp.
    11. Identifiera vilka elektroder visas i elektrisk och justera den elektrisk för att matcha dess centrerar till platsen för beräknade svällning.
    12. Justeras 369,5-nm balken vertikalt så att det passerar genom svällning position. Vill du veta avståndet mellan mitten av balken och fälla ytan, flytta strålen mot fällan ytan tills spridningen av balken är maximerat.
      Obs: Efter steg 2.2.12, kan det antas att mitten av balken är rätt på chip ytan.
    13. Från numerisk simulering av fällan potentiella 29, hitta beräknade höjden av ion svällning ståndpunkt från chip ytan. Flytta 369.5 nm strålen från chip yta av beräknade höjden använder Mikrometern lins översättning scenen. Flytta imaging linsen och elektrisk tillbaka genom samma avstånd. Skriv ner de mikrometer avläsningarna av imaging linsen och elektrisk.
  3. Anpassningen av 399 nm och 935 nm lasrar och det ugn test
    1. Ersätta de 369.5 nm bandpass filtrera med 399 nm bandpassfilter. Från numerisk simulering av imaging linsen, hitta skillnaden mellan brännvidd på 399-nm ljus och som 369,5-nm ljus följd av kromatisk aberration. Justera imaging linsen och den elektrisk att göra de 399-nm fokuserade på elektrisk längsgående ståndpunkter.
    2. Collimate 399 och 935 nm balkar, levereras från de optiska fibrerna, med de respektive kollimatorer, och justera höjder de fiber kollimatorer motsvarar höjden av chip att göra båda strålar sprids horisontellt.
    3. Justera 399 nm strålen mot trap-chip ytan genom en annan visningsområdet så att 399 nm laser sprids i motsatt riktning från 369.5 nm laser. Försöka göra den kollimerad 399 nm laser överlappning med fokuserad 369.5 nm laser.
    4. Kombinera kollimerad 935 nm balken med kollimerad 399 nm laser med en dichroic spegel och justera 935 nm balken så att 935 nm laser propagerar tillsammans med 399-nm laser. För att kontrollera hur väl två balkar överlappar med varandra, Vidarekoppla de två balkarna med en tillfällig spegel innan de in i kammaren och mäta platserna av balkar längs sökvägen balk en balk profiler eller ett hål. Om utrymmet inte räcker för att placera tillfälligt spegeln mellan kammaren och fokuserande linsen, överväga att sätta den optiska setup på en liten optisk breadboard; graden av överlappning kan kontrolleras på en separat plats.
    5. Montera en fokuserande lins för båda lasrar på en ytterligare översättning scenen och ställa in fokus linsen mellan dichroic spegeln och tillfälliga spegeln. Uppskatta avståndet från tillfälliga spegeln till svällning position och justera placeringen av fokuserande linsen så att 399 nm laser är inriktad på den svällning positionen ( figur 6b).
    6. Kontrollera huruvida fokus för 399 nm laser sammanfaller med fokus på 935 nm laser. Om de två foci inte överlappar, fint justera 935 nm laser.
    7. Ta bort tillfälliga spegeln i sökvägen 399 nm laser. Kontrollera spårningen av 399 nm laser på chip ytan med hjälp av elektrisk. Om inga spår av 399 nm laserstrålen kan observeras, flytta den 399 nm strålgång runt chipet. Också, något justera avståndet mellan kammaren och imaging objektivet tills bilden av chip ytan blir skarp.
    8. Justera tracen av 399 nm balken på chip ytan så att den kommer att passera den förvänta svällning ståndpunkten. Liknar 369.5 nm beam justeringen, flytta 399-nm strålen mot chip ytan tills intensiteten av det spridda ljuset blir maximerat.
    9. Flytta 399 nm laserstrålen från chip ytan i samma höjd som används i steg 2.2.13 med en mikrometer. Flytta imaging linsen och elektrisk tillbaka genom samma avstånd.
    10. Sätta tillfälliga spegeln används i steg 2.3.4 tillbaka. Upprepa steg 2.3.6 och ta sedan bort de tillfälliga spegeln.
      Obs: Efter steg 2.3.10 935 nm lasern kan antas vara passerar genom svällning position ovanför chip.
    11. Ställa in våglängden av 399 nm lasern nära 1 S 0-1 P 1 övergången av 174 Yb (751,526 GHz). Slå på strömmen för ugnen fylld med naturligt förekommande Yb och gradvis öka nuvarande.
      Obs: I allmänhet avdunstning startar inte nödvändigtvis på samma aktuella hittade i resterande gas Analyzer (RGA), som beskrivs i Kompletterande dokument, så försök olika aktuella värden tills avdunstning observeras. Endast när de neutrala Yb atomerna börjar avdunsta och frekvensen av lasern är resonant med 1 S 0-1 P 1 övergången av en av de Yb isotoperna, de neutrala Yb atomer börjar att absorbera laser ljus och återkastar det sådan att fluorescensen från Yb kan observeras med elektrisk. Generellt skiftas de resonant frekvenserna mätt med en våglängd mätare från nominella värden, allt från tiotals till hundratals MHz. Därför, för varje aktuell inställning, scanning laser frekvensen med en span rad 1 GHz och ett steg mindre än 50 MHz rekommenderas.
    12. När den resonant fluorescensen från naturligt förekommande ugnen observeras, minska nuvarande tills fluorescensen inte kan observeras.
    13. Scan laser runt första resonansfrekvensen och skriva ned mängden fluorescens vid varje resonans. Jämföra fördelningen av fluorescens styrkan och avståndet mellan resonanser med värdena från 37. Identifiera resonansfrekvenser för de olika isotoperna.
      Obs: Resonansen av 174 Yb har beräknats vara ungefär 751.52646(2) THz. Men detta värde skiftas något av dopplereffekten och det uppmätta värdet kan variera beroende på våglängd mätaren noggrannhet.
  4. Fångstmetoder joner.
    1. Byta 399 nm bandpassfilter med 369.5 nm bandpassfilter och flytta imaging linsen och elektrisk tillbaka till den position som erhölls i steg 2.2.13 så att 369,5-nm fluorescensen som avges av fångade joner kan avbildas på elektrisk. Kontrollera uppriktningen av alla lasrar en gång genom att upprepa steg 2.2.12 och använder UV och IR Visa kort för visuell inspektion av beam överlappningen.
    2. Kontrollera att spänningar av DAC: enRe inställd korrekt. Slå på RF-generatorn på en mycket låg power-inställning och gradvis öka uteffekten. Se också till att reflekterade kraften från spiralformade resonator är fortfarande ett minimum genom att skanna den RF-frekvensen runt resonansen.
      Försiktighet: Kontrollera att förstärkt spänningen vid fällan chipet inte överstiger den uppdelning spänningen. I lufttrycket, dielektriska styrkan i en SiO 2 film är kända för att vara cirka 10 7 V/cm, men detta värde inte kan antas i UHV miljön. Även om den exakta uppdelning spänningen i UHV miljön inte mäts uttryckligen, 8 µm laterala klyftan fällans chip i en 10 -11-Torr vakuum tål 240 V RF spänning amplitud i experimentell setup.
    3. Ange frekvensen av 399-nm laser till 174 Yb, identifierade i steg 2.3.13 resonansfrekvens. Ställa in frekvensen av 935-nm laser för 174 Yb + isotopen.
      Obs: Med en våglängd mätare, 320.57199(1) THz kan användas, men på grund av den begränsade noggrannheten hos våglängd meter, det kan finnas en variation upp till tiotals MHz.
    4. Ställa in frekvensen av 369,5-nm laser vid ett värde som är ~ 100-200 MHz mindre än resonansfrekvensen så att även om det finns viss mängd felaktigheter med våglängd mätaren, frekvensen blir fortfarande röd-detuned.
      Obs: Här, 200 MHz omstämning subtraheras från den beräknade resonansen när förväntade resonansfrekvens av de 174 Yb + är runt 811.29152(1) THz.
    5. Aktivera den aktuella källan för ugnen och öka strömmen långsamt tills det når det värde som hittades i steg 2.3.12. Vänta några minuter. Om ingen ion är fångade, öka strömmen av ~0.1-0.2 A och vänta igen. Om jonen inte är fortfarande fångade, kontrollera om den reflekterade RF är fortfarande på minimum och sedan gradvis öka uteffekten RF-generatorns.
      Försiktighet: Kontrollera att förstärkt spänningen vid fällan chipet inte överstiger den beräknade uppdelning spänningen.
    6. Kortfattat blockera 935 nm laser och kontrollera om det finns någon förändring i bilden.
      Obs: Om elektrisk inställningarna (inklusive electron-multiplicera (EM) vinst, exponeringstid och kontrasten i bilden) inte är inom rätt, även när en Jon är fångade, det är inte lätt att säga huruvida ändringen av intensiteten i närheten av regionen svällning orsakas av en riktig fångade Jon eller förändringen i spridningen av 369.5 nm laser. På grund av IR-filter visar elektrisk kameran inte någon förändring i 935 nm laser, så blockerar 935 nm lasern inte gör någon förändring i bilden när det finns ingen instängd ion. Dock om en Jon är fångade, andelen spridning av 369.5 nm laser sjunker avsevärt utan 935 nm laser. Ändringen till elektrisk bilden orsakas av blockering 935 nm laser är därför en bra indikator på framgång för fångstmetoder joner.
      Försiktighet: Om 935 nm laser blockeras för länge, den fångade Jon blir uppvärmd och kanske fly fällan.
    7. Stäng av ugnen efter jonerna är instängd. Försök att hitta resonansen av 369.5 nm laser genom gradvis öka frekvensen.
      Obs: Som frekvensen blir närmare resonansen, spridning kommer att öka, men när resonansen korsas, 369.5 nm laser startar värme jonen i stället för att kyla det, vilket i sin tur orsakar bilden av den fångade Jon blir instabilt. När 369.5 nm laser resonansfrekvens finns, minska frekvensen av lasern genom 10 MHz från resonansen.
    8. Skanna frekvensen av 935 nm lasern tills scattering andelen 369,5 nm blir maximerat.
    9. Justera placeringen av imaging linsen och elektrisk kameran tills bilden av jonen skärper.

Representative Results

Figur 7 visar de skanning elektronmikrografier (SEM) av påhittade ion-fällan chip. Den RF elektroder, inre DC elektroder, yttre DC elektroder och lastning slot var framgångsrikt fabricerade. Den dielektriska pelaren sidoväggen profil blev ojämna eftersom den PECVD oxiden deponerades i flera steg. Flera nedfall stegen användes för att minimera effekterna av restspänningar från tjocka oxid filmer. Detta beskrivs närmare i diskussionen.

Figur 8 visar elektrisk bilden av fem 174Yb+ joner instängd med biochips ion-fällan chip. De fångade jonerna kan pågå i mer än 24 h med kontinuerlig Doppler kylning. Antalet fångade joner kan justeras mellan 1 och 20 genom att ändra tillämpad DC spänning uppsättningen. Detta experiment är mycket pålitlig och robust och har nu varit i drift för 50 månader.

Figur 9 visar den skytteltrafik av fångade joner längs den axiella riktningen. Ion positionen i figur 9b är fördrivna från som i figur 9a genom justering av DC potentiella minsta ställning genom att ändra de DC-spänningarna.

Figur 10 visar preliminära resultat av Rabi svängning experiment med en 171Yb+ ion. För att få resultat, användes det ytterligare konfigurationer som beskrivs i Kompletterande dokument . Resultaten var att visa en potentiella tillämpningen av den experimentella installationsprogrammet som förklaras i denna uppsats.

Figure 1
Figur 1: Schematisk ytan ion trap. (en) röda prickar representerar fångade jonerna. Brunt och gult elektroderna anger RF och DC elektroderna, respektive. Grå pilar visar riktningen på det elektriska fältet under den positiva fasen av RF spänning. Observera att schematiskt inte dras till skala. (b) vertikalt dimensioner av elektroden struktur. (c), lateralen dimensioner av elektroden struktur. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 2
Figur 2: Förenklat energinivå diagram av en 174Yb+ ion och en neutral 174Yb atom. (en) när ett 369,5 nm laser är detuneds åt det röda hållet (lägre frekvens) av resonans, en cykling övergång mellan 2P1/2 och 2S1/2 minskar den kinetic energin av jonen på grund av Doppleren effekt. Ibland, en liten men ändlig förgrenade förhållandet gör elektron förfalla från 2P1/2 till 2D3/2, och en 935-nm laser krävs att återgå elektronen till huvudsakliga cykling övergången. Elektronen kan också sönderfalla i ett 2F7/2 en gång per timme, i genomsnitt och en 638 nm laser kan pumpa ut ur 2F7/2 staten, men detta är inte nödvändigt för en enkel system38. Värdena i ket notationen representerar projektionerna av de totala vinkelformig momenta J längs den kvantisering axel mJ. (b) att jonisera neutrala atomer avdunstat från ugnen, en två-photon absorption process var används39. En 399 nm laser glada en elektron till 1P1 tillstånd, och 369.5 nm fotonen för Doppler kylning hade mer energi än nödvändigt för att ta bort glada elektronen från ion. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 3
Figur 3: Fabrication processflöde av en yta ion trap. (en) Termisk oxidation att växa ett 5.000 Å tjock SiO2 lager och LPCVD av ett 2.000 Å tjock Si3N4 lager. (b) nedfall och ICP etsning av en 1,5 µm tjock oftas Al lager. (c), nedfall av en 14 µm tjock SiO2 lager på båda sidorna av rånet med hjälp av PECVD processer. (d) mönstring av 14 µm tjock SiO2 lager deponeras på framsidan av rånet med hjälp av en RIE process (e) mallning av 14 µm tjock SiO2 lager deponeras på baksidan av rånet med hjälp av en RIE process. (f), nedfall av en 1,5 µm tjock oftas Al och en 1 µm tjock PECVD SiO2 skikt. (g) mallning av 1,5 µm tjock Al lagret med en ICP-process och de 1 µm tjock SiO2 lager med ett RIE bearbeta. (h) mallning av 14 µm tjock SiO2 lager deponeras på framsidan av rånet med hjälp av en RIE process. (jag) mallning av 5.000 Å tjock SiO2 lagret och 2.000 Å tjock Si3N4 lagret med hjälp en RIE bearbeta. (j), DRIE av kisel substrat 450 µm från baksidan av rånet. (k) våt-etsning av SiO2 skikt på Al elektroderna och sidoväggarna av dielektriska pelarna. (l) Penetration av kisel substrat från fronten genom en DRIE process. Observera att schemat inte dras till skala. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 4
Figur 4: exempel på den DC-spänning som används för att fälla joner. De spänningar som tillämpas på den inre skenor kan kompensera för det asymmetriska elektriska fältet i horisontell riktning att luta de främsta yxorna totala potential i tvärplanet. Axiell fälla frekvens genereras av spänning var 550 kHz. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Ether.within-page = ”1” >Figure 5
Figur 5: Schematisk av optiska installationen. Tre Diodlasrar är justerade för att överlappa vid svällning position. Infällda visningsområdet av UHV kammaren tillåter imaging linsen placeras så nära som möjligt till chip yta. En flip-spegel placeras mellan imaging linsen och elektrisk möjliggör selektiv övervakning av ion fluorescensen använder antingen en photon multiplicerat med slang (PMT) eller en elektrisk. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 6
Figur 6: bilder av den konstruera optiska setup. (en) A spole är lindade runt främre visningsområdet av kammaren för att generera ett magnetfält, som kan bryta degenererade energinivåerna i Ytterby joner. (b), den optiska setup för styrning av 399 nm och 935 nm balkar. De röda och gröna linjerna indikerar beam sökvägen till 935 nm och 399 nm lasrar, respektive. (c), konfigurationen av imaging system, inklusive flip-spegeln, imaging linsen, elektrisk och kassarabatt Sökvägen till den fluorescens som avges från de instängda jonerna kan bestämmas av flip-spegeln. Gröna och vita pilarna anger sökvägen till fluorescensen när övervakas av elektrisk och PMT, respektive. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 7
Figur 7: Fabrication resultat ytan ion trap. (en) översikt av chip layout. (b) en förstorad bild av chip layouten, som visar flera yttre DC elektroderna. (c) en förstorad bild av chip layout, som visar lastning kortplatsen. (d) en tvärsnitts vy över regionen svällning innan genomträngande lastning kortplatsen. (e) en tvärsnitts vy över regionen svällning efter penetrerande lastning kortplatsen. (f) A förstorad tvärsnittsvyn oxid pelare. Oxid pelarna har ojämna väggar, och längderna på överhäng är inte tillräcklig, som tillskrivas till andelen icke-enhetlig etch av SiO2 på gränssnitten mellan separat deponerade 3,5 µm tjock SiO2 lager. (g), A ovanifrån av en tråd-limning pad av en DC-elektrod. (h) A tvärsnittsvyn av en via. Lutande profiler av oxid pelarna möjliggör anslutning av DC elektroden och marken lagret under nedfall av Al lagret på däcksidan oxid pelare i stället för fyllning av via hål med en galvanisering process. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 8
Figur 8: An elektrisk bild av fem 174Yb+ joner instängd på biochips ion-fällan chip. Bilden av strukturen surface fälla elektrod togs separat, och bilderna av de fångade Jon och av elektroderna kombinerades för tydlighet. Intensitet legenden gäller endast pixlar i rutan. Tjocka pilen visar strålgång av 369.5 nm laser och tunn pilarna representerar x - och z-komponenterna i dynamiken i fotonen. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 9
Figur 9: justering av fångade jonerna i en linjär kedja axiella potential. (en) sju joner i mitten av fällan. (b) jonerna var skytteltrafik tiotals mikrometrar. (c) ion strängen klämde i axiell riktning. Denna siffra är bäst som en film, som laddas upp separat. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 10
Figur 10: Experimentella resultat av Rabi svängningar mellan de | 0 Image 1 och | 1 Image 1 staterna. | 0Image 1 definieras som den 2S1/2| F = 0, mF= 0Image 1 statligt av 171Yb+ ion, och | 1Image 1 definieras som den 2S1/2| F = 1, mF= 0Image 1 stat. Rabi svängningen framkallas av mikrovågsugn 12.6428 GHz. Bloch sfärer ovanför tomten visar de motsvarande kvanttillstånd vid olika tidpunkter. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Kompletterande dokument: Vänligen klicka här för att hämta det här dokumentet.

Discussion

Detta paper presenterat en metod för fångstmetoder joner använder biochips ytan ion fällor. Byggande av en ion svällning system kräver erfarenheter inom olika forskningsområden men har inte tidigare beskrivits i detalj. Detta dokument föreskrivs detaljerade förfaranden microfabricating en fälla chip samt när det gäller att bygga ett experiment för att fälla joner för första gången. Detta dokument tillhandahålls också detaljerade procedurer för svällning 174Yb+ joner och experimentera med fångade joner.

Ett betydande hinder inför mikrofabrikation förfaranden är nedfallet av det dielektriska skiktet, med en tjocklek på över 10 µm. Under processen nedfall av lagrets tjock dielektriska kan restspänning bygga upp, vilket kan orsaka skador dielektrisk filmen eller ens bryta rånet. För att minska den kvarvarande stress, som är allmänt tryckkraft, bör en långsam insvetstal använda40. I vårt fall mättes en tryckkraft stress av 110,4 MPa med nedfall villkorar av 540 sccm SiH4 gasflödet, 140 W av RF power och 1.9 Torr av trycket vid 5 µm skikttjocklek. Dessa process villkor ger dock endast en grov referens, eftersom dessa förhållanden kan variera kraftigt för olika utrustning. För att minska effekterna av ackumulerade stress, sattes 3,5 µm tjock SiO2 filmer in alternerande på båda sidor om rånet i den presenterade metoden. Det dielektriska skiktet krävs tjocklek kan minskas om en mindre RF spänning amplitud och därmed en grundare fälla djup väljs. En grundare fälla djup leder enkelt dock till flykten av fångade joner, så tillverkning av tjockare dielektriska skikt, som tål högre RF spänningar, är mer önskvärt.

Det finns vissa begränsningar till metoden fabrication presenteras i denna uppsats. Längderna på överhäng är inte tillräcklig för att helt dölja dielektriska sidoväggarna från fångade jonerna, som visas i figur 7f. Dessutom är sidoväggarna av oxid pelarna ojämna, ökar det exponerade området av dielektriska sidoväggarna jämfört med den vertikala oxid pelaren. Till exempel när det gäller sidoväggen av inre DC stången nära lastning facket med en 5 µm enhetliga överhäng beräknas det att 33% av den dielektriska ytan utsätts för vertikala sidoväggen fångade ion ställning. I jagged-kant fall, är mer än 70% av området däcksidan utsatt. Dessa icke-ideala fabrication resultat kan inducera ytterligare herrelös fält från de exponerade dielektrika, men effekterna har inte mätts kvantitativt. Dock har den fabricerade chipet som rapporterats ovan använts framgångsrikt i ion svällning och qubit manipulation experiment. Fällan chip presenteras i denna uppsats har dessutom utsatt kisel sidoväggarna nära lastning kortplatsen. Infödda oxid kan växa på kisel ytor och kan resultera i ytterligare herrelös fält. Därför är det rekommenderat att skydda kisel substrat med metall extra, som i33.

Om du vill svälla 174Yb+ joner, frekvenserna av lasrar bör stabiliseras inom några tiotals MHz, och några olika metoder diskuteras i avancerade inställningar38,41. Men för den enkla installationen som diskuteras i detta papper, är inledande svällning möjligt endast med stabilisering med en våglängd mätare.

Detta dokument tillhandahålls ett protokoll för att fälla 174Yb+ joner med en biochips surface ion-fälla chip. Även om protokollet för svällning 171Yb+ joner inte diskuteras specifikt, kan den experimentella inställning som beskrivs i detta dokument också användas att fälla 171Yb+ joner och att manipulera qubit delstaten 171 Yb+ joner att få Rabi svängning resultat (visas i figur 10). Detta kan göras genom att lägga till flera optiska modulatorer i produktionen av lasrar och använda en mikrovågsugn setup, som beskrivs i Kompletterande dokument.

Sammanfattningsvis, kan den experimentella metoder och resultat som presenteras i detta dokument användas att utveckla olika program för quantum information använder surface ion fällor.

Disclosures

Författarna har något att avslöja.

Acknowledgments

Denna forskning var delvis stöds av ministeriet för vetenskap, IKT, och framtida planering (MSIP), Korea, under den Information Technology Research Center (ITRC) stöder program (IITP-2017-2015-0-00385) och ICT R & D program (10043464, utveckling av Quantum repeater teknik för tillämpning på kommunikationssystem), övervakas av Institute for Information & kommunikation teknik befordran (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

Ingenjörsvetenskap instängd fråga 126 Ion trap mikrofabrikation quantum information qubit ultrahöga vakuum Ytterby joner surface ion trap
Experimentella metoder för fångstmetoder joner använder biochips yta Ion fällor
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