Microfabricated kullanarak iyonları bindirme için deneysel yöntemleri iyon tuzakları yüzey

Bu prosedürün genel amacı, mikro-fabrikasyonla üretilmiş bir çip içeren, ytterbiyum iyonlarını hapsetmek için kullanılan deneysel bir düzeneği hazırlamak ve göstermektir. İyon tuzağı teknolojisi, kuantum bilgi işlemenin fiziksel uygulamaları için önde gelen adaylardan biri olarak değerlendirilmektedir. Bu prosedür, hem bir tuzak çipinin mikro-fabrikasyonuna yönelik detaylı protokolleri hem de mikro-fabrikasyonla üretilen tuzak çipini kullanarak iyonları hapsetmek için deneysel bir düzeneğin nasıl kurulacağına dair bilgileri sunmaktadır.

Mikro-fabrikasyon teknolojisi ile geliştirilen iyon tuzağı sistemleri, kuantum bilgi işleme ve kuantum hesaplama için büyük potansiyel sunmaktadır. Burada sunulan protokoller, fabrikasyon süreci ve iyon tuzağı deneylerinin kurulumu boyunca rehberlik edecektir. Lazerler, görüntüleme sistemleri, vakum odası, elektronikler ve mikro-fabrikasyon gibi çeşitli bileşenlerin koordinasyonunu gerektirmesi nedeniyle, bu yöntemin görsel olarak gösterilmesi kritik öneme sahiptir.

Deneyi gerçekleştirmek için öncelikle yüzey iyon tuzağı çipinin üretilmesi gerekir. Bu, bu gösterimde kullanılan bir taşıyıcıya monte edilmiş bir çip örneğidir. Çipin özellikleri bu şemada gösterilmiştir; burada nötr atomların içeri aktarıldığı bir yükleme yuvası bulunmaktadır.

Yükleme slotunun her iki yanında, iyonları slota dik yönlerde hapsetmek için radyo frekans elektrotları bulunur. Dış elektrotlardaki DC voltajlar, iyonları bu slot boyunca hapseder. İç elektrotlardaki DC voltajlar ise toplam potansiyelin ana ekseninin eğilmesine yardımcı olur.

Deney için, paketlenmiş çipi ultra yüksek vakumlu bir hazneye yerleştirin. Bu durumda çip, küresel bir oktagon haznenin merkezinde bulunur. Ultra yüksek vakum sisteminin bileşenleri bu şematik genel bakışta gösterilmiştir.

İyon pompası ve evaporatif olmayan getir, 3 x 10⁻¹¹ Torr'un altındaki basınç değerlerine ulaşabilir. Küresel oktagon, içerisinde ytterbiyum atomlarının bulunduğu bir fırın içerir. Küresel oktagon, nihai optik düzenek şemasının merkezinde gösterilmiştir.

Mikro-fabrikasyonla üretilmiş çip, sekizgenin merkezinde yer almaktadır. Geçiş yolları, sekizgenin fırını içindeki çip elektrotlarına elektriksel bağlantılar yapılmasını sağlar. Optik elemanlar, üç diyot lazerin ürettiği ışınların hapsetme konumunda örtüşeceği şekilde düzenlenmiştir.

Küresel sekizgen içindeki gömme bir görüntüleme penceresi, görüntüleme lensinin çip yüzeyine yakın olmasına olanak tanır. Elektron çarpanlı bir CCD kamera ile çipin yüzeyini görüntüleyin. Çok kanallı kabloları bir dijital-analog dönüştürücüye bağlayın.

Çok kanallı kabloların diğer ucunu küresel oktagonun geçiş noktalarına bağlayın. Ayrıca, helisel bir rezonatöre uygun geçiş bağlantılarını yapın. Ardından, rezonatör, bir spektrum analizör ve bir yönlü kuplör ile çalışın.

RF jeneratörünün çıkışını, yönlü kuplörün çıkışına bağlayın. Ardından, rezonatörün girişini yönlü kuplörün giriş portuna bağlayın. İleri yönlü kuplör portunu, spektrum analizörünün RF girişine bağlayın.

Ters kuplajlı portu 50 ohm'luk bir dirençle sonlandırın. Şimdi, helisel rezonatör kapağını ayarlamaya hazırlanın. Helisel rezonatör kapağının konumunu belirleyin, ardından yansımanın minimum olduğu frekansı tanımlamak için jeneratör frekanslarını tarayın.

Kapak konumunu ayarlayarak rezonatörü optimize etmeye devam edin. Bu sırada, yansıtılan gücün küresel minimum frekansını bulmak için frekans taramasını izleyin. Küresel minimum bulunduğunda, rezonatör kapağının konumunu sabitleyin.

Devam etmeden önce RF jeneratörünü kapatın. Devam etmek için tüm lazerlerin yerleştirildiğinden, stabilize edildiğinden ve güvenlik amacıyla bloklandığından emin olun. 369,5 nanometre lazerin bloğunu kaldırın ve ışını kollime edin.

Işın, hapsedilmiş çipe doğru yayılmalıdır. Işını çipe paralel ve yüzeyine neredeyse değecek şekilde hizalayın. Hizalamayı test etmek için ışın giriş noktasının karşısında bir ışın kartı kullanın; kart üzerindeki nokta, ışının herhangi bir yüzeyden yansımadığını gösterir.

Ardından, bir odaklama lensini bir trasladırma tablasına monte edin. Lensi, ışını çip yüzeyine paralel olacak şekilde, yakalama potansiyelinin yakınına odaklayacak biçimde yerleştirin. Görüntüleme optikleriyle çalışmaya geçin.

Bir translasyon tablasına monte edilmiş, yüksek sayısal açıklıklı bir görüntüleme lensi seçin. Bunu, ultra yüksek vakum odalarının içeriye gömülü penceresinin önüne yerleştirin. Bu, görüntüleme lensinin yerleştirildiği düzeneğin şematik görünümüdür.

Ardından, çip yüzeyinden bir miktar saçılma olacak şekilde lazer ışınını hizalayın. Işının kısmen engellendiğini doğrulamak için daha önce olduğu gibi bir ışın kartı kullanın. Daha sonra ışın kartını, görüntüleme lensinin görüntü düzleminin yakınına yerleştirin.

Görüntüleme lensinin konumunu bir translasyon tablası ile ayarlayın. Yeni konum, saçılan ışığın ışın kartı üzerinde net bir görüntü oluşturmasını sağlamalıdır. Şimdi, lensin görüntüleme düzlemindeki translasyon tablası üzerine bir elektron çarpanlı CCD yerleştirin.

Arka plan ışığını engellemek için CCD'nin önüne bir bant geçiren filtre yerleştirin. CCD ve lens kurulumunu kullanarak elektrotlar görünür olmalıdır. Ardından, ışının hapsetme potansiyelinden geçmesi için dikey olarak hizalayın.

Ardından ışını izleyin ve tuzak yüzeyine doğru hareket ettirin. Maksimum ışın saçılması, ışın merkezinin çip yüzeyi üzerinde olduğu anlamına gelir. Şimdi, ışını tuzaklama potansiyelinin beklenen yüksekliğine taşımak için lens öteleme tablasını kullanın.

Bu ayarlamadan sonra, görüntüleme lensinin ve CCD'nin translasyon aşamalarını aynı mesafe kadar geri hareket ettirin ve konumu kaydedin. Bu, sistemin bu aşamadaki şematik görünümüdür. Işın, beklenen tuzak konumundan geçer.

Diğer iki lazerin önündeki engelleri kaldırıp hizalamaya başlayarak işleme devam edin. CCD'nin önündeki bant geçiren filtreyi, 399 nanometrelik bir bant geçiren filtre ile değiştirin. Ardından, elektrotların CCD üzerinde odaklanmasını sağlamak için görüntüleme lensinin ve CCD'nin konumlarını ayarlayın.

Kollime edilmiş 399 nanometre ışını, 369,5 nanometre ışınının ters yönünde ilerleyecek ve onunla örtüşecek şekilde vakum odasına girecek biçimde hizalayın. İki ışını odada birlikte ilerleyecek şekilde birleştirmek için bir ayna ve dikroik ayna yerleştirin. Test etmek için, odadan önceki ışın yoluna geçici olarak bir ayna ekleyin ve ışın örtüşmesini bir ışın profilleyici ile kontrol edin.

Dikroik ve geçici aynalar arasındaki ışın yoluna, bir translasyon tablası üzerine yerleştirilmiş bir odaklama lensi ekleyin. İki ışının odağını kontrol etmek için ışın profili analizörünü kullanın. Bu durumda, iki lazer olması gerektiği gibi aynı noktaya odaklanmamıştır.

Son olarak, lazerleri çakıştırmak için 935 nanometre lazeri hizalayın. Bu işlem tamamlandıktan sonra geçici aynayı kaldırın ve 399 nanometre ışının CCD'de gözlemlenebildiğinden emin olun. Işını dikey olarak beklenen tuzak konumuyla hizalayın ve ardından ışını çipe doğru hareket ettirin.

CCD görüntüsünü izleyin ve ışın çip yüzeyine merkezlenmiş durumdayken, saçılan ışığın maksimum yoğunluğu ile ilişkilendirin. Ardından ışını yüzeyden tuzağın beklenen konumuna taşıyın. Bunu, görüntüleme lensini ve CCD'yi aynı mesafe kadar geri çekerek takip edin.

Ardından, 399 nanometrelik lazeri uygun ytterbium 174 geçişine yakın bir değere ayarlayın. Ytterbium içeren fırın açılıp akım artırılırken CCD görüntüsünü izleyin. Floresans gözlemi yaparak buharlaşmanın başlangıcını belirlemek için, lazeri ytterbium rezonansı boyunca tararken bu işlemi gerçekleştirin.

Floresan hemen öncesindeki güncel değeri kaydedin ve fırını kapatın. İyonları hapsetmek için son hazırlıkları yapın. CCD'deki bant geçiren filtreye dönün ve bunu 369.5 nanometrelik bir bant geçiren filtre ile değiştirin.

Ayrıca, 368.5 nanometre odaklama için CCD ve görüntüleme lensi konumlarını ayarlayın. Elektrotları kontrol eden dijital-analog dönüştürücü için voltajları belirleyin. Ardından, helisel rezonatöre bağlı olan RF jeneratörüne geçin.

Jeneratörü çok düşük bir güç ayarında açın ve çıkış gücünü kademeli olarak artırın. Lazer kontrol bilgisayarında, lazer frekanslarını ve fırın akım kaynağını uygun değerlerine ayarlayın. Birkaç dakika sonra, hapsetme testini başlatmak için 935 nanometrelik lazeri bir ila iki saniye boyunca kısa süreliğine engelleyin.

Tuzağı CCD ile görüntüleyin. Eğer iyonlar yakalanmışsa, saçılma hızı önemli ölçüde düşer ve görüntü belirgin şekilde etkilenir. Bloklamanın görüntü değişiklikleriyle ilişkili olduğunu doğrulamak için lazeri birkaç kez engelleyin.

İyonlar hapsedildiğinde fırını kapatın. Elektron çarpanlı CCD görüntülerinden oluşturulan bu kompozit, mikro-fabrikasyonla üretilmiş bir iyon tuzağı çipinde hapsedilmiş beş ytterbium 174 1+ iyonunun konumunu göstermektedir. Hapsedilen iyon sayısı, uygulanan DC voltajları değiştirilerek ayarlanabilir.

Hapsedilmiş iyonlarla ilgili bu videoda, iyonlar tuzağın DC voltajları değiştirilerek manipüle edilmektedir. Yüzey iyon tuzaklarının üretimi ve itriyum 174 izotopu iyonlarının hapsedilmesi için gereken protokoller bu videoda sunulmuştur. Bu prosedür, 171 izotopundaki itriyum iyonlarını hapsetmek ve kübik aşamayı manipüle etmek için kolayca genişletilebilir; bu da nihayetinde kuantum bilgi işleme ve kuantum hesaplamaya doğru ilerleme sağlar.