Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove

Engineering

Microfabricated kullanarak iyonları bindirme için deneysel yöntemleri iyon tuzakları yüzey

doi: 10.3791/56060 Published: August 17, 2017

Summary

Bu kağıt yüzey iyon tuzakları için bir microfabrication metodoloji yanı sıra ayrıntılı deneysel yönerge bindirme iterbiyum iyonları için bir oda sıcaklık ortamında sunar.

Abstract

Bir quadrupole Paul tuzak tuzağa iyonları bir kuantum bilgi işleme uygulamak için güçlü fiziksel adaylar kabul edilmiştir. Bu onların uzun tutarlılık zaman ve onların yeteneklilik-e doğru değiştirmek ve bireysel kuantum bit (qubits) algılamak gelir. Daha yakın yıllarda, microfabricated yüzey iyon tuzakları büyük ölçekli tümleşik qubit'e platformlar için daha fazla dikkat aldık. Bu kağıt iyon mikro-elektro-mekanik sistem (MEMS) teknolojisini kullanarak tuzakları için bir microfabrication metodoloji sunar, bir 14 µm kalınlığında Dielektrik katman ve metal imalat yöntemi dahil yapıları Dielektrik katman üzerinde çıkıntı. Buna ek olarak, 369.5 kullanarak iterbiyum (Yb) iyonları, izotop 174 (174Yb+) yakalama için deneysel bir işlem nm, 399 nm, ve 935 nm diyot lazerler açıklanmıştır. Birçok bilimsel ve mühendislik disiplinleri bu metodolojileri ve yordamlar içerir ve bu kağıt ilk ayrıntılı deneysel yordamlar sunar. Bu makalede açıklanan yöntemleri kolayca Yb iyonları izotop 171 (171Yb+), bindirme ve qubits manipülasyon için uzatılabilir.

Introduction

Paul tuzak iyonları bir statik elektrik alanı ve değişen bir elektrik alanı radyo frekans (RF), salınan bir arada kullanarak boş alanda da dahil olmak üzere yüklü parçacıklar, şlemiyle ve tuzağa sınırlı iyonların kuantum Birleşik ölçülebilir ve 1,2,3kontrol. Böyle iyon tuzaklar aslında optik saatler ve kütle spektroskopisi4,5,6gibi hassas ölçüm uygulamalar için geliştirilmiştir. Bir ultra-yüksek ideal izolasyon kapana kısılmış iyonları, örneğin uzun tutarlılık zamanları, arzu edilen özellikleri Kuantum bilgi işleme uygulamak için fiziksel bir platform atfedilen gibi son yıllarda, bu iyon tuzakları da aktif olarak araştırılmalıdır Vakum (UHV) çevre ve fizibilite bireysel qubit'e manipülasyon7,8,9,10. Beri Kielpinski ve ark. 11 kuantum bilgisayarları, yüzey tuzakları, junction tuzakları12,13, çoklu alan tuzak cips14ve 2-b dizi de dahil olmak üzere çeşitli geliştirmek için kullanılan bir ölçeklenebilir iyon kapanı mimarisi önerilen tuzaklar15,16,17, işlemi elde edilen yarı iletken microfabrication yöntemleri18,19,20,21 kullanarak geliştirilmiştir . Büyük ölçekli Kuantum bilgi işleme sistem yüzeyde dayalı tuzakları de22,23,24tartışıldı.

Bu kağıt microfabricated yüzey iyon tuzakları kullanarak bindirme iyonları için deneysel yöntemler sunar. Daha ayrıntılı olarak, yüzey iyon tuzaklar ve fabrikasyon tuzakları kullanarak bindirme iyonları için detaylı bir yordam imalatı için bir yordam açıklanır. Buna ek olarak, deneysel sistemini kurduktan ve iyonları bindirme için çeşitli pratik teknikleri ayrıntılı açıklamalar Ek belgetemin edilmektedir.

Metodoloji microfabricating için 1. adımda bir yüzey iyon kapanı verilir. Şekil 1 bir yüzey iyon kapanı basitleştirilmiş bir şematik gösterir. Transvers düzlemde elektrotlar uygulanan gerilim tarafından üretilen elektrik alanı da25gösterilir. Diğer elektrotlar RF yere korunurken bir RF voltaj RF elektrotlar, çiftine uygulanır; RF voltaj tarafından oluşturulan ponderomotive potansiyel26 Radyal yönde iyonları confines. Birden çok DC elektrotlar RF elektrotlar dışında uygulanan doğru akım (DC) gerilim boyuna yönde iyonları hapsedin. RF elektrot arasındaki iç raylar transvers düzlemde toplam potansiyel asıl eksenlerini eğimli yardımcı olmak üzere tasarlanmıştır. Bir DC gerilim set tasarımı için metodoloji Ek belgedahil. Buna ek olarak,27,28,29,30,31' temel geometrik parametre yüzey iyon kapanı fiş tasarlamak için daha fazla ayrıntı bulunabilir.

1. adımda tanıttı imalat yöntemi aşağıdaki yönleri dikkate alınarak tasarlanmıştır. İlk olarak, elektrot katmanı ve toprak katmanı arasında Dielektrik katmanı Katmanlar arasında elektriksel delinme önlemek için yeterince kalın olmalıdır. Genellikle, kalınlığı 10µm üzerinde olması gerekir. Kalın yalıtkan tabaka biriktirme sırasında kalan stres yatırılan filmlerden Selam substrat veya yatırılan filmleri için neden olabilir. Böylece, artık stres kontrol yüzey iyon tuzakları imalatı anahtar teknikleri biridir. Sokak ücretleri Dielektrik malzeme üzerinde hangi rasgele bir vardiyada dönüş sonuçlarını iyon pozisyon dağınık ultraviyole (UV) lazerler tarafından indüklenen çünkü İkincisi, iyon konum Dielektrik yüzeylere pozlama indirilmelidir. Açık alan çıkıntı elektrot yapıları tasarlama tarafından azaltılabilir. Bu iyon tuzakları ile elektrot çıkıntılar tipik deneysel koşullar32altında şarj için dirençli yüzey bildirilmiştir. Üçüncü, çeşitli yatırılan Filmler, dahil olmak üzere tüm malzemeler, 200 ° C yaklaşık 2 hafta boyunca pişirme dayanmak gerekir ve tüm malzemelerden fışkırması miktarını UHV ortamlarıyla uyumlu olmalıdır. Yüzey iyon kapanı cips microfabricated bu kağıt tasarımını başarıyla çeşitli deneyler32,33,34, kullanılan33, tuzak tasarımdan temel 35. daha sonra nötr atomların yükleme fotoğraf-bindirme için iyonize için bu tasarım bir slot çip ortasında içerdiğini unutmayın.

İyon kapanı çip fabrikasyon sonra çip monte ve elektrikle altın bağ kablo kullanarak çip taşıyıcı bağlı. Çip taşıyıcı sonra UHV odasında yüklenir. Bir tuzak küçük parça paket ve UHV odası tasarım hazırlanması için ayrıntılı bir yönerge Ek belgetemin edilmektedir.

Optik ve Elektriksel ekipman yanı sıra deneysel prosedürler hazırlanması için bindirme iyonları, 2. adımda ayrıntılarıyla açıkladı. Potansiyel ponderomotive tarafından tuzağa iyonları genellikle çevresindeki elektrik alanı, sürekli artar iyonların ortalama kinetik enerji dalgalanması tabi vardır. Lazer Doppler vardiyasında dayalı soğutma aşırı enerji iyonları hareket kaldırmak için kullanılabilir. Şekil 2 bir 174Yb+ iyon ve tarafsız 174Yb atom Basitleştirilmiş enerji düzeyi diyagramları gösterir. Foto-iyonizasyon tarafsız 174Yb atomların 399-nm lazer gerekirken Doppler 174Yb+ iyonları soğutma 369.5-nm lazer ve 935-nm lazer gerektirir. Adım 2.2 ve 2.3 bu lazerler yüzey iyon kapanı chip ve Foto-iyonizasyon için uygun koşullar bulmak için bir yordam için hizalamak için verimli bir yöntem açıklanmaktadır. Optik ve elektriksel bileşenlerin hazırlanır sonra iyonları bindirme nispeten basittir. Deneysel olarak sırası bindirme iyonları için adım 2.4 sunulur.

Protocol

1. iyon kapanı küçük parça paket imalatı

  1. Microfabrication yüzey iyon kapanı çipin.
    Not: her işlem için en uygun parametreler farklı donanımları için önemli ölçüde değişebilir bu bölümde açıklanan işlem koşulları yalnızca kaba bir başvuru sağlar. Sıcaklık koşullarında sadece oksidasyon ve kimyasal Buhar biriktirme gibi yüksek sıcaklık süreçleri için verilir. İmalat süreci 100 mm çapında silikon gofret kullanarak yapılır.
    1. Tek kristal Silisyum 500-525 µm kalınlığında ile gofret ve 15 dakika süreyle piranha çözüm kullanarak temiz hazırla
    2. Termal olarak her iki tarafta 0.5 µm kalınlığında SiO 2 Dielektrik katmanları oluşturmak için bir fırın tüp silikon gofret okside.
      Not: Bu katmanlar elektrikle silikon yüzey zemin katmanından ortadan kaldırabilirsiniz. Islak-oksidasyon kullanılan işlem Parametreler: O 2 Debi 6.500 sccm, N 2 debisi 5000 sccm, H 2 akış hızı 7000 sccm, işleme 900 ° c sıcaklık ve süreç zaman 4.5 s (bkz: tablosu Malzemeler donanımları ayrıntılı bilgi için).
    3. Sırasında termal oksit tabakalar korumak için bir alçak basınç kimyasal Buhar biriktirme (LPCVD) işlemi ( şekil 3a) kullanarak gofret her iki tarafında 0.2 µm kalınlığında Si 3 N 4 kat depozito şekil 3 k içinde gösterilen ıslak-gravür işlemi.
      Not: LPCVD sürecinde kullanılan işlem parametreler şunlardır: H 2 SiCl 2 akış hızı 30 sccm, NH 3 debisi 100 sccm, 200 mTorr baskısı ve işlemi sıcaklık 785 ° c Bu 40 ifade oranı bir sonuç Å / dk (ekipman detayları için Malzemeler tablo görmek).
    4. Mevduat 1,5 µm kalınlığında Al/Cu (% 1) katman sputtering bir süreç ve aşağıdaki parametreleri kullanarak gofret: Ar akış hızı 40 sccm, 2 mTorr baskısı ve RF güç 300
      Not: Bu bir birikim hızı 130 sonuç Å / dk (ekipman detayları için Malzemeler tablo görmek).
      Not: Bu tabaka sayesinde Silisyum substrat RF kaybını önlemek için zemin düzlemini sağlar ve ayrıca tel bağlar pads için temas noktaları sağlar. % 1 Bakır alüminyum alaşım UHV ortamı elde etmek için pişirme işlemi sırasında bıyık oluşumunu önlemek için kullanılır. Bu kompozisyon bıyık önlenmesi için esastır.
    5. Gofret 2 µm kalınlığında olumlu fotorezist katmanda spin ve lithographically uçak ve tel-yapıştırma pedleri koruyucu RF tanımlamak için desen.
      Not: 2 µm kalınlığında fotorezist işlem Parametreler: spin hızı 5.000 rpm, spin zaman 40 s, öncesi fırında sıcaklığı 95 ° c, öncesi fırında zaman 90 s, 144 mJ/cm 2, pozlama enerji geliştirmek zaman 60 s, sonrası fırında sıcaklık 110 ° C ve 5 dk sonrası fırında zaman (Tablo malzemeler kimyasal ve donanımları ayrıntılı bilgi için bkz:).
    6. Desen 1,5 µm kalınlığında Al/Cu (% 1) (Reaktif iyon gravür (RIE) veya İndüktif eşleşmiş plazma (ICP) gravür) geleneksel bir kuru-gravür işlemini kullanarak katman, içinde desenli fotorezist ile 1.1.5 gravür maske olarak adım.
      Not: Aşağıdaki işlem parametrelerle bir ICP yakıcısı kullanılmalıdır: BCl 3 akış hızı 20 sccm, Cl 2 akış hızı 30 sccm, 5 mTorr baskısı ve RF gücü 750 Bu bir 3.600 Å/dak etch ücretine sonuçlanır (ekipman detayları için Malzemeler tablo görmek).
    7. Kaldırmak adım 1.1.6 usung bir O 2 plazma yakma işlemi ( şekil 3b) kullanılan fotorezist.
      Not: İşlem yakma işlemi için Parametreler: O 2 debisi 150 sccm, 0,75 mTorr baskısı ve RF güç 300 W (bkz: ekipman detayları için Malzemeler tablo).
    8. Plazma gelişmiş kimyasal Buhar biriktirme (PECVD) süreçleri ( şekil 3 c) kullanarak gofret her iki tarafta bir 14 µm kalınlığında SiO 2 katman mevduat.
      Not: PECVD sürecinde kullanılan işlem parametreler şunlardır: 540 sccm, işlemi sıcaklık 350 ° c ve RF gücü 750 1.9 Torr baskısı SiH 4 akış hızı Bu 3000 ifade oranı bir sonuç Å / dk (Malzemeler tablo ekipman detayları için bakınız). 14 µm kalınlığında SiO 2 katman yatırmak en zor işlemlerden biri olduğundan, detayları daha fazla tartışma açıklanmıştır.
    9. Gofret önü 6 µm kalınlığında olumlu fotorezist katmanda spin ve lithographically elektrikli tel bağlar yastıkları DC elektrotlar bağlanmak için delik üzerinden tanımlamak için desen.
      Not: 6 µm kalınlığında fotorezist işlem Parametreler: spin hızı 5.000 rpm, spin zaman 40 s, öncesi fırında sıcaklığı 95 ° c, 5 dk, pozlama enerji 900 mJ/cm 2 öncesi fırında zaman, 10 dk zaman geliştirmek, sonrası fırında sıcaklığı 110 ° C ve 5 dk sonrası fırında zaman (Tablo malzemeler kimyasal ve donanımları ayrıntılı bilgi için bkz:).
    10. Desen 14 µm kalınlığında SiO 2 katman adım 1.1.9 gravür maske olarak desenli fotorezist ile geleneksel bir RIE işlemi kullanarak gofret önündeki.
      Not: SiO 2 aşındırma işlemi parametreleridir: CHF 3 akış hızı 25 sccm, CF 4 debisi 5 sccm, Ar debisi 50 sccm, 130 mTorr baskısı ve RF güç 600 W. Bu bir 3.600 Å/dak etch ücretine sonuçlanır (ekipman detayları için Malzemeler tablo görmek).
    11. Bir O 2 plazma yakma işlemi ile 1.1.10 adımda kullanılan fotorezist kaldırın. Gofret ısıtmalı bir çözücü daldırma veya pilin ( şekil 3d) önce solüsyon içeren temizleyicide.
    12. Gofret arka 6 µm kalınlığında olumlu fotorezist katmanda spin ve lithographically silikon substrat ( 3j rakam) derin reaktif iyon gravür (DRIE) için bir oksit zor maske oluşturmak için desen.
    13. Desen 14 µm kalınlığında SiO 2 katman üzerinde bir geleneksel RIE, ile fotorezist işlemiyle gofret arka desenli adım 1.1.12 gravür maske olarak '.
    14. Adım 1.1.13 bir O 2 plazma yakma işlemi ( şekil 3e) ile kullanılan fotorezist kaldırmak.
    15. Sputtering işlemiyle elektrot kullanılan bir 1,5 µm kalınlığında Al/Cu (% 1) katman mevduat.
    16. Bir PECVD ( şekil 3f) işlemiyle gofret 1 µm kalınlığında SiO 2 kat depozito.
    17. Gofret 2 µm kalınlığında olumlu fotorezist katmanda spin ve lithographically bu elektrotlar tanımlamak için desen.
    18. Desen 1,5 µm kalınlığında Al/Cu (% 1) Katman ve geleneksel ICP işlemine fotorezist aşındırma kullanarak 1 µm kalınlığında SiO 2 kat desenli adım 1.1.17 gravür maske olarak '.
    19. Adım 1.1.18 bir O 2 plazma yakma işlemi ( şekil 3 g) ile kullanılan fotorezist kaldırmak.
    20. Gofret 6 µm kalınlığında olumlu fotorezist katmanda spin ve lithographically 14 µm kalınlığında oksit ayağı desenleri tanımlamak için desen.
    21. Desen 14 µm kalınlığında SiO 2 katman fotorezist ile geleneksel bir RIE işlemi kullanarak desenli adım gravür maske olarak 1.1.20.
    22. Adım 1.1.21 bir O 2 plazma yakma işlemi ( şekil 3 h) ile kullanılan fotorezist kaldırmak.
    23. Gofret 6 µm kalınlığında olumlu fotorezist katmanda spin ve lithographically bu yükleme yuvası ortaya çıkarmak için desen.
    24. SiO 2 desen ve Si 3 N 4 katmanları geleneksel RIE kullanarak işlemek, gravür maske olarak 1.1.23 adımda desenli fotorezist ile.
    25. Adım 1.1.24 bir O 2 plazma yakma işlemi ( şekil 3i) ile kullanılan fotorezist kaldırmak.
    26. Desen bir DRIE işlemi ( şekil 3j) kullanarak gofret ters gelen Silikon substrat.
      Not: Etch derinlik tekrar tekrar ters gelen Silikon substrat penetrasyonu engellemek için ölçülmelidir. Hedef etch derinlik yaklaşık 450-470 µm olduğunu. DRIE işlem yineleme C 4 F 8 ifade için 5 ile gerçekleştirildi s, C 4 F 8 etch 3 s ve Si için 5 etch için s. C 4 F 8 ifade adımda, C 4 F 8, akış hızı SF 6, Ar 100, 0.5 ve 30 sccm idi. Not ar C 4 F 8 ve sı etch hızını hızlandırmak için kullanılır, ancak aynı zamanda C 4 F 8 ifade adımda aynı akış hızı, basınç durumu stabilize etmek ile uygulanır. Adım C 4 F 8 ' etch, akış hızı 0.5, 50 ve 30 sccm, sırasıyla değiştirildi. Si adım, akış hızı 0.5, 100 ve 30 sccm, sırasıyla, etch kullanıldı. RF güç ve oda basınç 825 W ve her adımda 23 mTorr için kuruldu. Bu koşullar için sı etch oranı her döngü için 1 µm oldu (ekipman detayları için Malzemeler tablo görmek).
    27. Gofret küp şeklinde bir makine kullanarak 10 mm x 10 mm parçalara dice.
    28. Ayır aseton 5 dk. içinde daldırma tarafından die küp şeklinde teypten temizlemek için 10 dakika ve 2 dakika süreyle izopropil alkol (IPA) 110 2 min için Kuru deiyonize (DI) su içinde daldırma tarafından die ° C.
    29. Etch yanağında bir oksit ıslak işlemi 60 aşındırma kullanarak elektrot çıkıntı yapılar imal etmek oksit direği olan bir tamponlu oksit etchant (BOE), s (NH 4 F:HF = 6:1) ( şekil 3 k). Ölmek için 10 dakika ve 2 dakika süreyle IPA 110 at 2 min için Kuru DI su çalışan daldırma tarafından temiz ° C.
    30. Delik DRIE işlemiyle die önden yükleme yarık şeklinde iyon nüfuz.
      Not: Bu adımda ( şekil 3 l) iyon kapanı fiş imalat işlemi tamamlandıktan.

2. Optik ve elektrik ekipman ve iyonları yakalama hazırlık

Not: fabrikasyon tuzak çip çip taşıyıcı ile paketlenir ve çip taşıyıcı UHV odasında yüklenir. Yordamlar için tuzak-küçük parça paket imalatı ve UHV odası hazırlamak için Ek belge içinde sağlanan iken, optik ve elektriksel ekipmanları ayarlayacak ve bindirme iyonları için Ayrıntılar bu bölümde açıklanmaktadır.

  1. Elektrik bağlantıları hazırlanması.
    1. Gerilim karşılık gelen DC kontrol elektrotlar uygulamak için Bağlan UHV odası arka, feedthrough için bir çok kanallı dijital analog dönüştürücü (DAC).
      Not: Şekil 4 tuzak çip için uygulanan gerilim bir örneği gösterilir. Böyle tasarlamak için detaylı bir DC gerilim set Ek belge içinde açıklanan yöntemidir.
    2. Arka feedthrough bir fırın PIN geçerli bir kaynak bağlanmak.
    3. Yönlü bağlaştırıcı bir RF jeneratör ve Helisel rezonatör arasında ekleyin. Sinyali RF jeneratör yönlü bağlaştırıcı çıkış bağlantı noktasına bağlayın. Ayrıca, giriş in yönlü bağlaştırıcı Helisel rezonatör giriş portuna bağlayınız.
      Not: Bu yapılandırma Helisel rezonatör 36 yansıyan güç izlenmesi için izin verir.
    4. Jeneratör, en azından yansımasıdır frekans bulmak için frekans tarama ve Helisel rezonatör kap konumunu ayarlamak. Küresel en az bulunana kadar bu adımı yineleyin.
      Not: Küresel en düşük frekansta rezonans sıklığıdır. Kullanım izleme jeneratör ile spectrum Analyzer seçeneği veya bir ağ analizörü S 11 parametresiyle ölçümü en az yansıma için tarama işlemi basitleştirebilirsiniz. Herhangi bir DAC gerilim kaynağı veya fırın için geçerli kaynağı ile elektrik bağlantılarının değiştirildiğinde, RF feedthrough empedans değiştirilir ve rezonans frekansı kayacak.
    5. Çevirmek RF jeneratör.
      Dikkat: Helisel rezonatör yüksek RF voltaj için bindirme uygularken, empedans değişiklikler neden olabilir herhangi bir elektrik bağlantıları değiştirme. Ani empedans değişiklikleri kolayca çip bağ telleri yakmak.
  2. Uyum 369.5 nm lazer ve görüntüleme sistemi.
    1. Bir kolimatör kullanarak bir optik fiber 369.5-nm lazer collimate ve optik tablo yüzeyinden Kolimatör çip yüksekliğine yüksekliğini maç çalışın; yatay yaymak demetini.
    2. Collimated 369.5-nm ışın tuzak çip ya da sağa sola görüntüleme çerçevesinin UHV odası aracılığıyla doğru yayılıyor yönünü şekil 5 ' te gösterildiği gibi ayarlayın. Öyle ki lazer ışını tuzak-küçük parça yüzeyine paralel yayar ve hemen hemen belgili tanımlık küçük parça yüzeyine dokunduğundan kaba hizalayın.
    3. Bir çeviri sahnede 369.5-nm lazer için bir odaklama lens mount. Odaklama lens yayılıyor yön boyunca lazer bindirme pozisyon çip yüzey yukarıda çevresinde odaklanmış ve odaklanmış lazer tuzağı-çip yüzeyi boyunca yayar yerleştirin. Çeviri sahne ile odaklama lens konumunu ayarlamak; Lazer ışını odak konumunu odaklama lens hareketi takip edecek.
    4. Çip yüzey ( şekil 5) olan uzaklığı göz önünde bulundurarak bir yüksek-sayısal-diyafram görüntüleme objektif monte UHV odası önünde bir çeviri sahnede yer.
    5. Böylece lazer saçılma çip yüzeyinden bir miktar
    6. tuzak-çip yüzeyli 369.5-nm ışın hizalamak.
      Not: görüntüleme objektif tarafından toplanan dağınık ışık objektif görüntü boyutunda etrafında zayıf bir görüntü oluşturacak. Bu görüntü genellikle, alan yeterince karanlık olduğunda bile floresan kağıt ile gözlenen.
    7. Floresan kağıt üzerinde görüntü tercih edilir kadar görüntüleme objektif konumunu ayarlamak.
    8. Bir elektron çarpılarak tahsil eşleşmiş cihaz (EMCCD) monte edilmiş bir çeviri sahnede yer objektifin görüntüleme uçağın yerini dikkate alınarak önceki adımda buldum.
    9. Fırın için buharlaşma ısıtıldığında Siyah cisim radyasyon fırından engellemek için EMCCD önüne bir kızılötesi (IR) filtre mount.
    10. Arka plan ışığı engellemek için EMCCD önünde 369.5-nm bant filtre mount.
    11. EMCCD görüntü elektrotlar düzeni ile karşılaştırın. Elektrotlar-ebilmek var olmak seen ile EMCCD kadar EMCCD ve görüntü lens konumlarını ayarlayın. Görüntü tercih edilir kadar görüntüleme objektif ve EMCCD hizalayın.
    12. Hangi elektrotlar EMCCD içinde gösterilir ve beklenen bindirme konuma Merkezi eşleşecek şekilde EMCCD hizalamak IDENTIFY.
    13. Bindirme konum geçecek şekilde
    14. 369.5-nm ışın dikey olarak hizalayın. Işın saçılma ekranı kiriş merkezi ve tuzak yüzey arasındaki mesafeyi öğrenmek için tuzak yüzeye doğru ışın alıncaya.
      Not: 2.2.12 adımdan sonra bu ışının merkez sağ çip yüzeyinde olduğunu kabul edilebilir.
    15. Sayısal simülasyon tuzak potansiyel 29 iyon bindirme pozisyon çip yüzeyinden beklenen yüksekliğini bulmak. 369.5 nm ışın çip yüzey uzak objektif çeviri sahne mikrometre kullanarak beklenen boyu tarafından gitme. Görüntüleme objektif ve EMCCD tarafından aynı mesafede geriye. Görüntüleme lens ve EMCCD mikrometre okuma yazmak.
  3. 399 hizalamasını nm ve 935 nm lazerler ve fırın test
    1. Değiştir 369.5 nm bant 399 nm bant filtre ile filtre. Sayısal simülasyon görüntüleme lens odak uzaklığı 399-nm ışık ve bu renk sapması kaynaklanan 369.5-nm ışık arasındaki farkı bulmak. Görüntüleme objektif ve EMCCD üzerinde duruldu 399-nm yapmak EMCCD boyuna konumlarını ayarlamak.
    2. İle ilgili collimators, optik lifler teslim 399 ve 935 nm kiriş collimate ve yatay yaymak her iki kiriş yapmak için çip yüksekliğini eşleşecek şekilde fiber collimators yükseklikleri ayarlayın.
    3. Öyle ki 399 nm lazer 369.5 nm lazer gelen ters yönde propaganda
    4. 399 nm ışın başka bir görüntüleme çerçevesi tuzak-çip yüzey doğru hizalayın. Collimated 399 yapmaya odaklanmış 369.5 nm lazer nm lazer çakışma.
    5. Collimated 935 nm ışını dikroik ayna kullanarak collimated 399 nm lazer ile birleştirmek ve 935 nm lazer 399-nm lazer ile birlikte yayar öyle ki 935 nm ışın hizalayın. Ne kadar iyi iki kiriş birbirleriyle üst üste gelen denetlemek için önce onlar Odaya girin ve belgili tanımlık ışık ışını profiler ya da bir iğne deliği kullanarak ışın yol boyunca yerlerini ölçmek geçici bir ayna ile bu iki kiriş başka yöne çek. Alan odası ve odaklama lens arasındaki geçici ayna yerleştirmek için yetersiz ise, küçük bir optik breadboard üzerinde optik kurulum koymayı unutmayın; örtüşme derecesine ayrı bir yerde denetlenebilir.
    6. Bir ek çeviri sahnede her iki lazerler için bir odaklama lens mount ve odaklama lens dikroik ayna ve geçici ayna arasında ayarlayın. Geçici aynadan uzaklık bindirme konumuna ve öyle ki bindirme konumunda ( şekil 6b) 399 nm lazer odaklı odaklama lens konumunu ayarlamak.
    7. 399 nm lazer odak 935 nm lazer odak ile denk olup olmadığını kontrol edin. İki resimde örtüşmeyen, ince 935 nm lazer hizalama.
    8. 399 nm lazer yolunda geçici yansıtmayı kaldırma. EMCCD kullanarak çip yüzeyinde 399 nm lazer izleme kontrol edin. 399 nm lazer ışını hiçbir iz gözlenen, 399 nm ışın yolu çipi etrafında hareket. Çip yüzey görüntüsünü keskin hale gelene kadar da, biraz odası ve görüntüleme lens arasındaki mesafeyi ayarlamak.
    9. Öyle ki beklenen bindirme pozisyon geçecek
    10. 399 nm ışın çip yüzeyinde iz hizalayın. Benzer şekilde 369.5 nm ışın hizalama, hareket 399-nm ışın çip yüzeyinde dağınık ışığın şiddetini kadar doğru maksimize olur.
    11. Bir mikrometre kullanarak 2.2.13 adımda kullanılan aynı yükseklikte 399 nm lazer ışını çip yüzey uzak taşır. Görüntüleme objektif ve EMCCD tarafından aynı mesafe geri taşımak.
    12. Adım 2.3.4 geri kullanılan geçici ayna koydum. 2.3.6 arasındaki adımları yineleyin ve sonra geçici yansıtmayı kaldırma.
      Not: 2.3.10 adımdan sonra 935 nm lazer çip yüzeyi yakalama konumda geçerek için kabul edilebilir.
    13. 1 S 0 yakın 399 nm lazer dalga boyu ayarla-1 P 1 geçiş 174 Yb (751,526 GHz). Fırın ile dolu için geçerli açmak Yb doğal olarak meydana gelen ve yavaş yavaş geçerli artırmak.
      Not: genel olarak, buharlaşma, arta kalan gaz Çözümleyicisi tarafından (RGA), Ek belge içinde açıklandığı gibi buldum aynı geçerli mutlaka başlamaz, buharlaşma görülmektedir kadar farklı geçerli değerler çalış. Sadece ne zaman buharlaşır için tarafsız Yb atomlar başlatın ve lazer ile 1 S 0 rezonans sıklığıdır-1 P 1 geçiş atomlar absorbe başlayacak tarafsız Yb birinin Yb izotopları lazer ışık ve yeniden öyle ki Floresans Yb üzerinden EMCCD ile görülebilir yayarlar. Genellikle, bir dalga boyu metre tarafından ölçülen rezonans frekansları onlarca yüzlerce MHz arasında değişen nominal değerleri üzerinden kaydırılır. Bu nedenle, her geçerli ayarı için tarama lazer frekansı ile 1 GHz yayılma bir dizi ve bir adım daha az 50 MHz önerilir.
    14. Sonra doğal olarak meydana gelen fırından rezonans Floresans görülmektedir, Floresans gözlenen kadar geçerli azaltmak.
    15. İlk rezonans frekansı etrafında lazer inceden inceye gözden geçirmek ve floresan her rezonans, miktarını yazın. Floresans gücü ve 37 değerlerle rezonanslar arasındaki boşluğu dağıtımını karşılaştırın. Rezonans frekansları farklı izotoplar için teşhis.
      Not: 174 Yb rezonans yaklaşık 751.52646(2) THz olmak ölçülür. Ancak, bu değer hafifçe Doppler etkisi tarafından kaydırılır ve ölçüm değeri dalga boyu metre doğruluğunu bağlı olarak değişebilir.
  4. İyonları bindirme.
    1. 399 nm bant filtre 369.5 nm bant filtre ile değiştirin ve görüntüleme objektif ve EMCCD geri tarafından kapana kısılmış iyonları yayılan 369.5-nm floresan EMCCD görüntüsü 2.2.13 adımda elde konumuna taşımak. Yinelenen adım 2.2.12 ve UV ve IR ışın çakışma görsel denetim için kartları ile ilgilenen kullanarak bir kez daha tüm lazerler hizalamasını denetleyin.
    2. Bir kontrol DAC gerilim biryeniden doğru ayarlanmış. RF jeneratör, bir çok düşük güç ayarını etkinleştirin ve çıkış gücü yavaş yavaş artırın. Ayrıca, Helisel rezonatör üzerinden yansıyan güç hala RF frekans rezonans çevresinde tarayarak en azından olduğundan emin olun.
      Dikkat: tuzak çip, güçlendirilmiş gerilim arıza gerilim geçmediği emin olun. Atmosferik basınç, SiO 2 film Dielektrik gücü yaklaşık 10 olduğu bilinmektedir, ancak bu değer 7 V/cm UHV ortamında kabul edemem. Her ne kadar tam dökümü gerilim UHV ortamda açık olarak ölçülen değildir, 8-µm yan boşluk tuzak chip içinde 10 -11-Torr vakum dayanıklı 240 V RF voltaj genlik deneysel kurulumunda.
    3. 399-nm lazer frekans 2.3.13 adımda belirlediğiniz 174 Yb, rezonans frekansına ayarla. 174 Yb + izotop 935-nm lazer sıklığını ayarlayın.
      Not: Bir dalga boyu metre ile 320.57199(1) THz-ebilmek var olmak kullanılmış, ancak dalga boyu metre sınırlı doğruluğunu nedeniyle olabilir bir varyasyon ilâ on MHz.
    4. Frekans ayarý 369.5-nm lazer ~ 100-200 olan bir değer, rezonans frekansı yanlışlık dalga boyu metre ile bir miktar varsa bile çok az MHz frekans hala kırmızı detuned olacak.
      Not: 174 Yb + beklenen rezonans frekansı 811.29152(1) THz olduğunda burada, 200 MHz detuning beklenen rezonans çıkarılır.
    5. Fırın ve yavaş yavaş kadar geçerli 2.3.12 adımda bulunan değere ulaşır artış için geçerli kaynak açın. Birkaç dakika bekleyin. Eğer hiçbir iyon tuzak, geçerli ~0.1-0.2 A tarafından artırmak ve tekrar bekleyin. Eğer iyon hala tuzak değil, yansıyan RF en azından hala olup olmadığını denetleyin ve daha sonra yavaş yavaş RF jeneratör çıkış gücünü artırmak.
      Dikkat: tuzak çip, güçlendirilmiş gerilim beklenen arıza gerilim geçmediği emin olun.
    6. Kısaca 935 nm lazer engellemek ve görüntünün herhangi bir değişiklik olup olmadığını kontrol edin.
      Not: (elektron teksir makinesi (EM) kazanç, çekim hızı ve resmin zıtlığını gibi) EMCCD ayarlarını uygun bir aralık içinde değilse, ne zaman bile bir iyon kapana kısılmış, söylemek kolay değil olup olmadığını yoğunluğu civarında bindirme bölge değiştir gerçek kapana kısılmış bir iyon veya 369.5 nm lazer saçılma değişikliği nedeniyle oluşur. IR filtre nedeniyle yok kapana kısılmış iyon olduğunda 935 nm lazer engelleme herhangi bir değişiklik için resim yapmaz bu yüzden EMCCD kamera herhangi bir değişiklik 935 nm lazer göstermek değil. Eğer bir iyon tuzak, ancak, 369.5 nm lazer saçılma oranı önemli ölçüde düşer 935 nm lazer olmadan. Bu nedenle, 935 nm lazer engelleyerek neden EMCCD görüntü yakalama iyonları başarısı iyi bir göstergesi değişimdir.
      Dikkat: 935 nm lazer uzun süre engellenmişse, kapana kısılmış iyon ısıtılmış olur ve tuzak kaçış.
    7. İyonları sıkışıp kalırlar sonra fırın kapat. Yavaş yavaş sıklığını artırarak 369.5 nm lazer rezonans bulmaya çalışın.
      Not: frekans için rezonans daha yakın hale geldikçe, saçılma hızınızı artırır, ancak rezonans geçti sonra 369.5 nm lazer yerine iyon Isıtma, nedenleri sırayla kararsız duruma gelmesine kapana kısılmış iyon görüntüsünü soğutma başlar. Rezonans frekansı 369.5 nm lazer bulunduktan sonra rezonans 10 MHz lazerle sıklığını azaltır.
    8. 935 nm lazer frekans 369.5 saçılma oranı kadar tarama nm maksimize.
    9. Edene kadar iyon resmi netleştirir görüntüleme objektif ve EMCCD kamera konumlarını ayarlayın.

Representative Results

Şekil 7 fabrikasyon iyon kapanı çipin tarama elektron Filmler (SEM) gösterir. RF elektrotlar, iç DC elektrotlar, dış DC elektrotlar ve yükleme yarık başarıyla imal. PECVD oksit birkaç adımda yatırılması çünkü Dielektrik sütun yan profil pürüzlü oldu. Birden çok ifade adımları kalın oksit Filmler artık stresin etkilerini en aza indirmek için kullanılmıştır. Bu daha fazla tartışmatanımlanır.

Şekil 8 microfabricated iyon kapanı çip kullanarak tuzağa beş 174Yb+ iyonları EMCCD görüntüsünü gösterir. Kapana kısılmış iyonları soğutma ile sürekli Doppler daha 24 h sürebilir. Kapana kısılmış iyonları sayısı 1 ile 20 arasında uygulanan DC gerilim set değiştirerek ayarlanabilir. Bu deneysel kurulum çok güvenilir ve sağlam ve şu anda operasyonda 50 ay olmuştur.

Şekil 9 eksenel yönde boyunca kapana kısılmış iyonları mekik gösterir. Şekil 9b iyon bulunduğu bundan Þekil 9a içinde DC potansiyel en az konumunu ayarlama DC gerilim değiştirerek yerlerinden olduğunu.

Şekil 10 Rabi salınım deneyler 171Yb+ iyon ile ilk sonuçlar gösterir. Sonuçları elde etmek için Ek belge içinde açıklanan ek kurulumları kullanılmıştır. Sonuçları bu yazıda açıklandığı deneysel kurulumunun potansiyel bir uygulama göstermek için dahil edildi.

Figure 1
Şekil 1: yüzey iyon kapanı şematik. (bir) kırmızı noktalar kapana kısılmış iyonları temsil eder. Kahverengi ve sarı elektrotlar RF ve DC elektrotlar, sırasıyla gösterir. Gri ok elektrik alanı yön RF voltaj olumlu aşamasında göstermek. Şematik çizilmez Not ölçek. (b) dikey boyutlar elektrot yapısı. (c) lateral boyutları elektrot yapısı. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 2
Resim 2: 174Yb+ iyon ve tarafsız 174Yb atom enerji düzeyi diyagramlar Basitleştirilmiş. (bir) zaman bir 369.5 nm lazer rezonans kırmızı tarafı (daha düşük frekans) detuned, 2P1/2 ve 2S1/2 arasında bir Bisiklete binme geçiş iyon Kinetik enerjisini Doppler nedeniyle azaltır. etkisi. Bazen, küçük ama sonlu dallanma oranı 2D3/2 2P1/2 elektron çürüme yapar ve 935-nm lazer elektron ana Bisiklete binme geçiş için geri dönüş için gereklidir. Elektron da 2F7/2 düzeyine bir kez saat başına ortalama, çürük ve 638 nm lazer 2F7/2 devlet dışarı pompalamak olabilir, ama bu basit sistem38için gerekli değildir. Ket gösteriminde değerleri niceleme eksen mJboyunca toplam açısal momenta J projeksiyonlar temsil eder. (nötr atomların fırın, bir iki fotonlu emme işlemi buharlaşıp iyonizeb) kullanılan39oldu. 399 nm lazer bir elektron 1P1 durum için heyecanlı ve Doppler soğutma için 369.5 nm foton heyecanlı elektron iyon kaldırmak gerekenden daha fazla enerji vardı. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 3
Şekil 3: imalat işlem akışı bir yüzey iyon kapanı. (bir) termal oksidasyonu bir 5000 kalın Å SiO2 katman ve LPCVD 2.000 kalın Å Si3N4 katmanın büyümeye. (b) gravür 1,5 µm kalınlığında sputter Al katmanın ifade ve ICP. (c) bir 14 birikimi µm kalınlığında SiO2 katman PECVD süreçleri kullanarak gofret her iki tarafında. (d) bir RIE (e) işlemiyle gofret cephesinde yatırılır 14 µm kalınlığında SiO2 tabakasının biçimlenme desenlendirme 14 µm kalınlığında SiO2 tabakasının yatırılır RIE işlemiyle gofret arkasında. (f) devrilmesinden sonra 1,5 µm kalınlığında Al katmanı ve bir 1 µm kalınlığında PECVD SiO2 kat tekledi. (g) desenlendirme ICP işlemiyle 1,5 µm kalınlığında Al katmanı ve bir RIE kullanarak 1 µm kalınlığında SiO2 kat işlem. (h) desenlendirme 14 µm kalınlığında SiO2 katman bir RIE işlemiyle gofret cephesinde yatırılır. (Ben) desenlendirme 5000 Å-kalın SiO2 katman ve 2.000 Å-kalın Si3N4 katmanlı bir RIE kullanarak işlem. (j) silikon substrat 450 DRIE µm gofret arkasından. (k) Al elektrotlar ve Dielektrik ayağı yanağında SiO2 tabakasının ıslak-gravür. (l) silikon substrat DRIE işlem aracılığıyla önden nüfuz. Şemaları çizilmez Not ölçek. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 4
Şekil 4: iyonları tuzağa düşürmek için kullanılan ayarla DC gerilimi örneği. İç raylar için uygulanan gerilim asimetrik elektrik alanının toplam potansiyel transvers düzlemde asıl eksenlerini yatırmak için yatay yönde telafi edebilirsiniz. Gerilim set tarafından oluşturulan Aksiyel tuzak frekans 550 kHz yapıldı. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Ether.Within-sayfa = "1" >Figure 5
Şekil 5: optik kurulumunun şematik. Üç diyot lazerler bindirme konumunda üst üste hizalanır. UHV odası gömme viewport görüntüleme lens yerleştirilmesini sağlayan çip mümkün olduğunca yakın yüzey. Bir flip-ayna yerleştirilen görüntü objektif ve EMCCD arasında ya da bir foton çarpılır tüp (PMT) kullanarak iyon Floresans seçici izlenmesi için izin verir veya bir EMCCD. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 6
Şekil 6: inşa optik kurulum görüntülerini. (bir) A bobin dejenere enerji düzeyleri iterbiyum iyonlar zarar verebilir bir manyetik alan oluşturmak için odası açık görüntüleme çerçevesinin yara. (b) 399 direksiyon için optik kurulum nm ve 935 nm kirişler. Kırmızı ve yeşil çizgiler 935 ışık yolunu gösterir nm ve 399 nm lazerler, anılan sıraya göre. (c) yapılandırmasını görüntüleme sistemi, flip-ayna, görüntüleme lens, EMCCD ve ödeme de dahil olmak üzere Kapana kısılmış iyonları yayılan Floresans yolu flip-ayna tarafından belirlenebilir. Yeşil ve beyaz okları Floresans yolunu EMCCD ve Devresel ödeme, sırasıyla izlenmekte belirtiniz. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 7
Şekil 7: yüzey iyon kapanı sonuçlarını imalat. (bir) çip düzeni genel bakış. (b) birden çok dış DC elektrotlar gösterir çip düzeninin büyütülmüş görüntüsü. (c) yükleme yuvası gösterir çip düzeninin büyütülmüş görüntüsü. (d) bir kesit görünümünü yükleme yuvası delici önce bindirme bölge. (e) bir kesit görünümü yükleme yuvası Penetran sonra bindirme bölgesinin. (f) A oksit sütun kesit görünümü büyütülmüş. Oksit ayağı duvarlar pürüzlü ve çıkıntı uzunlukları hangi SiO2 ayrı olarak yatırılan 3,5 µm kalınlığında SiO2 katmanları arasında arabirimler de düzgün olmayan etch oranının atfedilir yeterli değildir. (g) A yukarıdan bir DC elektrot tel bağlar ped. (h) A kesit görünümünü bir yolu ile. Oksit sütunlar eğimli profillerine izin ver DC elektrot ve toprak katmanı bağlantısı sırasında dolgu yerine oksit ayağı duvardan Al katmanda birikimi için electroplating bir işlemi ile delik üzerinden. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 8
Şekil 8: bir EMCCD resim beş 174Yb+ iyonlar kapana microfabricated iyon kapanı çipte. Yüzey tuzak elektrot yapının görüntüsünü ayrı ayrı çekildi ve görüntüleri kapana kısılmış iyon ve elektrotlar netlik için kombine edilmiştir. Yoğunluğu efsane kutusundaki piksellere yalnızca için geçerlidir. Kalın ok 369.5 nm lazer ışını yolunu gösterir ve ince oklar x - ve z-bileşenleri foton momentum temsil eder. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 9
Şekil 9: bir doğrusal zincir içinde kapana kısılmış iyonları Aksiyel potansiyelini düzeltilmesi. (bir) yedi iyonları kapanın ortasına. (b) iyonları shuttled onlarca mikrometre vardı. (c) iyon dize eksenel yönde sıkılmış. Bu rakam en iyi ayrı olarak yüklenen bir film görülüyor. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 10
Şekil 10: Rabi salınım arasında deneysel sonuçlar | 0 Image 1 ve | 1 Image 1 Birleşik. | 0Image 1 2S1/2olarak tanımladığınız | F = 0, mF= 0Image 1 171Yb+ iyon devlet ve | 1Image 1 2S1/2olarak tanımladığınız | F = 1, mF= 0Image 1 devlet. Rabi salınım 12.6428-GHz mikrodalga tarafından indüklenen. Bloch küreler arsa üzerinde farklı zamanlarda ilgili kuantum Birleşik göster. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Ek belge: Bu belgeyi karşıdan yüklemek için buraya tıklayınız.

Discussion

Bu kağıt için bindirme iyonları microfabricated yüzey iyon tuzakları kullanarak bir yöntem mevcuttur. Bir iyon yakalama sistemi inşaatı deneyimlerini çeşitli araştırma alanlarında gerektirir ama daha önce ayrıntılı olarak açıklanan değil. Bu kağıt microfabricating iyonları ilk kez yakalamak için deneysel bir kurulum oluşturma gelince de bir tuzak çip için ayrıntılı yordamlar sağlanmıştır. Bu yazıda da 174Yb+ iyonları bindirme ve kapana kısılmış iyonları ile deneme için ayrıntılı yordamlar sağladı.

Dielektrik katman birikimi 10 µm kalınlığında, microfabrication yordamlarda karşı karşıya bir önemli engeldir. Hangi Dielektrik filmin zarar veya bile gofret kırmak kalın yalıtkan tabaka biriktirme işlemi sırasında kalan stres inşa edebilirsiniz. Genellikle basınç kalan stres azaltmak için yavaş biriktirme oranı kullanılan40olmalıdır. Bizim durumumuzda 110.4 MPa basınç stres SiH4 gaz debisi, 140 W RF güç ve baskı 5-µm film kalınlığı, 1.9 Torr 540 sccm ifade şartlar ile ölçüldü. Bu koşullar önemli ölçüde farklı donanımları için değişebilir ancak, bu işlem koşulları yalnızca kaba bir başvuru sağlar. Birikmiş stresin etkilerini azaltmak için 3,5 µm kalınlığında SiO2 filmleri alternatingly gofret sunulan yöntem her iki tarafında tevdi. Eğer daha küçük bir RF voltaj genlik Dielektrik katman gerekli kalınlığı azaltılabilir ve dolayısıyla sığ bir tuzak derinlik seçilir. Ancak, yüksek RF voltaj dayanabilir, kalın Dielektrik katmanları imalatı daha arzu edilir böylece sığ bir tuzak derinlik kapana kısılmış iyonları, kaçış için kolayca yol açar.

Bu raporda sunulan imalat yöntemi için bazı sınırlamalar vardır. Çıkıntılar uzunlukları şekil 7fiçinde gösterildiği gibi tamamen kapana kısılmış iyonları üzerinden Dielektrik yanağında gizlemek yeterli değildir. Ayrıca, dikey oksit ayağı göre Dielektrik yanağında açık alan artan oksit ayağı yanağında Çizimimdeki. Örneğin, 5 mikron Tekdüzen çıkıntı ile yükleme yuvası yakınındaki iç DC Ray kenarındaki söz konusu olduğunda, Dielektrik yüzeyinin % 33 dikey yan kapana kısılmış iyon konumunu maruz hesaplanır. Pürüzlü kenar durumda yan alan % 70'den fazla maruz kalmaktadır. Bu ideal olmayan uydurma sonuçlara maruz Dielektrik ek sokak alanları teşvik edebilirsiniz ama etkileri değil nicelik ölçülen var. Yine de, yukarıdaki uydurma kozu olarak bildirilen iyon bindirme ve qubit'e manipülasyon deneyler başarıyla kullanılmıştır. Buna ek olarak, bu yazıda sunulan tuzak çip silikon yanağında yükleme yuvası yakınındaki koymuştur. Yerel oksit silikon yüzeylerde büyüyebilir ve ek sokak alanlara yol açabilir. Bu nedenle, bu silikon substrat33olduğu gibi ek bir metal tabaka ile korumak için tavsiye edilir.

174Yb+ iyonları bindirmek için birkaç onlarca MHz içinde lazerler frekansları stabilize ve birkaç farklı yöntem gelişmiş kurulumları38,41içinde ele alınmıştır. Ancak, bu makalede açıklanan basit kurulum için ilk bindirme sadece bir dalga boyu ölçeri kullanmayı stabilization ile mümkündür.

Bu kağıt 174Yb+ iyonları microfabricated yüzey iyon kapanı çip kullanarak yakalamak için bir protokol sağlanan. 171Yb+ iyonları bindirme için protokol özellikle tartışılmamış rağmen bu yazıda açıklanan deneysel Kur aynı zamanda 171Yb+ iyonları tuzağa düşürmek ve 171 qubit'e durumunu işlemek için kullanılabilir Yb+ iyonları Rabi salınım sonuçları (gösterildiği şekil 10) elde etmek için. Bu lazerlerin çıkış için çeşitli optik modülatörler ekleyerek ve Ek belgeiçinde açıklandığı gibi bir mikrodalga Kur kullanarak yapılabilir.

Sonuç olarak, deneysel yöntem ve sonuçları bu raporda sunulan çeşitli Kuantum bilgi yüzey iyon tuzakları kullanarak uygulamalar geliştirmek için kullanılabilir.

Disclosures

Yazarlar ifşa gerek yok.

Acknowledgments

Bu araştırma bilim Bakanlığı tarafından ICT, kısmen desteklenen ve Gelecek Planlama (MSIP), Kore, bilgi teknolojisi Araştırma Merkezi (ITRC) altında destek programı (IITP-2017-2015-0-00385) ve ICT R & D programı (10043464, gelişimi Kuantum Tekrarlayıcı teknolojisi uygulama iletişim sistemleri için), gözetim altında bilgi Enstitüsü tarafından & iletişim teknolojisi promosyon (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).
Microfabricated kullanarak iyonları bindirme için deneysel yöntemleri iyon tuzakları yüzey
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

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).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