JoVE Journal > Engineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Nederlands

Automatically Generated
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Engineering

Experimentele methoden voor het overlappen van ionen met Microfabricated oppervlak Ion Traps

Published: August 17, 2017
doi:
10.3791/56060
, , , ,
1ISRC/ASRI, Department of Electrical and Computer Engineering,Seoul National University, 2Quantum Tech. Lab,SK Telecom

Summary

Dit document stelt een methodologie van de microfabrication voor oppervlakte ion vallen, alsmede een gedetailleerde experimentele procedure voor overvullen ytterbium ionen in een omgeving met kamertemperatuur.

Abstract

Ionen gevangen in een vierpolige Paul val hebben beschouwd als een van de sterke fysieke kandidaten om quantum informatieverwerking. Dit is te wijten aan hun lange samenhang tijd en hun vermogen om te manipuleren en individuele quantum bits (qubits) detecteren. In recentere jaren, hebben de microfabricated oppervlakte ion vallen meer aandacht voor grootschalige geïntegreerde qubit platformen gekregen. Deze paper presenteert de methodologie van een microfabrication voor ion vallen met behulp van micro-elektromechanisch (MEMS) systeemtechnologie, met inbegrip van de fabricage methode voor een 14 µm dik diëlektrische laag en metaal overhang structuren bovenop de diëlektrische laag. Bovendien is een experimentele procedure voor het overlappen van ytterbium (Yb) ionen isotoop 174 (174Yb+) met behulp van 369.5 nm, 399 nm, en 935 nm diodelasers wordt beschreven. Deze methoden en procedures omvatten vele wetenschappelijke en technische disciplines, en dit document stelt eerst de gedetailleerde experimentele procedures. De methoden die in dit Groenboek besproken kunnen eenvoudig worden uitgebreid naar de vangst van Yb ionen isotoop 171 (171Yb+) en naar de manipulatie van qubits.

Introduction

Een val van Paul geladen deeltjes, met inbegrip van ionen in de lege ruimte, met behulp van een combinatie van een statische elektrische veld en een wisselende veldsterkte oscillerende op radiofrequentie (RF), kan beperken en de kwantumtoestanden van de ionen in de val opgesloten kan worden gemeten en gecontroleerd1,2,3. Die ion vallen waren oorspronkelijk ontwikkeld voor nauwkeurige meting, met inbegrip van optische klokken en massaspectrometrie4,5,6. In de afgelopen jaren hebben deze ion vallen ook actief onderzocht als een fysieke platform om de quantum informatieverwerking aan de wenselijke kenmerken van gevangen ionen, zoals lange samenhang times, ideale isolatie in een ultra-hoge toegeschreven vacuüm (UHV) omgeving, alsmede de uitvoerbaarheid van individuele qubit manipulatie7,8,9,10. Sinds Kielpinski et al. 11 voorgesteld een schaalbare ion-trap-architectuur die kan worden gebruikt voor het ontwikkelen van quantum computers, verschillende soorten oppervlak vallen, met inbegrip van junction vallen12,13, multi-zone val chips14en 2D-matrix traps15,16,17, zijn ontwikkeld met behulp van halfgeleider proces afkomstige microfabrication methoden18,19,20,21 . Grootschalige quantum informatieverwerkingssystemen gebaseerd op het oppervlak vallen ook zijn besproken22,23,24.

Dit document stelt experimentele methoden voor overvullen ionen met microfabricated oppervlak ion vallen. Meer in het bijzonder, een procedure voor het fabriceren van oppervlakte ion vallen en een gedetailleerde procedure voor overvullen ionen met behulp van de gefabriceerde vallen worden beschreven. Daarnaast vindt u gedetailleerde beschrijvingen van diverse praktische technieken voor het opzetten van het experimentele systeem en overvullen van ionen in het Aanvullend Document.

De methodologie voor microfabricating een oppervlakte ion trap wordt gegeven in stap 1. Figuur 1 toont een vereenvoudigde schema van een oppervlakte ion trap. De elektrische velden die worden gegenereerd door de spanning toegepast op de elektroden op het dwarsvlak staan ook25. Een RF-spanning wordt toegepast op het paar van RF de elektroden, terwijl alle andere elektroden worden gehouden op RF ground; de ponderomotive potentiële26 gegenereerd door de RF-spanning beperkt de ionen op de radiale richting. De spanning van de gelijkstroom (DC) toegepast op de elektroden van de meerdere DC buiten de RF-elektroden beperken de ionen op de lengterichting. De innerlijke rails tussen de RF-elektroden zijn ontworpen om te helpen met het kantelen van de belangrijkste assen van het totale potentieel in het dwarsvlak. De methodologie voor het ontwerpen van een set van DC spanning is in het Aanvullend Documentopgenomen. Meer details voor het ontwerpen van de essentiële geometrische parameters voor oppervlakte ion-trap chips kunnen daarnaast worden gevonden in27,28,29,30,31.

De fabricage methode ingevoerd in stap 1 is ontworpen gelet op de volgende aspecten. Ten eerste moet de diëlektrische laag tussen de laag van de elektrode en de grond voldoende dik om te voorkomen dat elektrische verdeling tussen de lagen. In het algemeen moet de dikte over 10µm. Tijdens de afzetting van de dikke diëlektrische laag kan de resterende stress uit de gedeponeerde films buigen van het substraat of de schade aan de gedeponeerde films. Dus, beheersing van de resterende stress is één van de belangrijkste technieken in de fabricage van de oppervlakte ion vallen. Ten tweede moet de blootstelling van de diëlektrische oppervlakken naar de positie van de ion worden geminimaliseerd, omdat verdwaalde heffingen op de niet-geleidend materiaal kunnen worden opgewekt door verspreide ultraviolette (UV) lasers, die in de resultaten van de draai in een willekeurige verschuiving van ion positie. De blootgestelde gebied kan worden verminderd door het ontwerpen van de overhang elektrode structuren. Er werd gemeld dat ion traps met elektrode overhangen resistent zijn tegen het opladen in typische experimentele omstandigheden32oppervlak. Derde, alle materialen, met inbegrip van diverse gedeponeerde films, moeten kunnen weerstaan van 200 ° C bakken voor ongeveer 2 weken, en het bedrag van de explosieve uit alle materialen moeten verenigbaar zijn met UHV omgevingen. Het ontwerp van de oppervlakte ion-trap chips microfabricated in dit document is gebaseerd op het ontwerp van de val van33, die met succes in verschillende experimenten32,33,34, gebruikt werd 35. opmerking dat dit ontwerp een sleuf in het midden van de chip bevat voor het laden van neutrale atomen, die later zijn foto-geïoniseerd voor overvulling.

Na de fabricage van de ion-trap-chip, is de chip gemonteerd en elektrisch verbonden met de chip vervoerder met gouden hechting draden. De chip vervoerder wordt vervolgens geïnstalleerd in een UHV kamer. Een gedetailleerde procedure voor het voorbereiden van een pakket van de spaander val en het ontwerp van de UHV kamer vindt u in het Aanvullend Document.

Voorbereiding van de optische en elektrische apparatuur, alsmede de experimentele procedures voor overvullen ionen, worden toegelicht in detail in stap 2. De ionen gevangen door de potentiële ponderomotive zijn over het algemeen onderworpen aan de schommelingen van de omliggende veldsterkte, die voortdurend de gemiddelde kinetische energie van de ionen stijgt. Laser koeling op basis van Doppler shift kan worden gebruikt voor het verwijderen van de overtollige energie uit de beweging van de ionen. Figuur 2 toont de vereenvoudigde energieniveau diagrammen voor een 174Yb+ -ion en een neutrale 174Yb-atoom. Doppler koeling van 174Yb+ ionen vereist een laser 369.5-nm en een laser 935-nm, terwijl foto-ionisatie van neutrale 174Yb atomen een 399-nm laser vereist. Stap 2.2 en 2.3 beschrijven een efficiënte methode voor het uitlijnen van deze lasers aan de oppervlakte ion-trap-chip en een procedure om te vinden van de juiste voorwaarden voor foto-ionisatie. Nadat de optische en elektrische componenten zijn voorbereid, is overvulling ionen relatief eenvoudig. De volgorde van de experimentele voor overvullen ionen wordt gepresenteerd in stap 2.4.

Protocol

1. fabricage van het pakket van de spaander van de Ion-val Microfabrication van de oppervlakte ion-trap chip. Opmerking: De voorwaarden van de proces beschreven in deze sectie bieden alleen een ruwe verwijzing, omdat de optimale parameters voor elk proces aanzienlijk voor verschillende apparatuur variëren kunnen. De temperaturen worden gegeven alleen voor de hoge-temperatuur-processen, zoals oxidatie en chemical vapor deposition. Het fabricageproces wordt uitgevoerd met behulp van 100 mm diameter silicium wafers. Voorbereiden een enkele kristallijn silicium wafer met een dikte van 500-525 µm en schoon te maken met behulp van piranha-oplossing gedurende 15 minuten De silicium wafer in een oven buis te vormen van 0,5 µm dik SiO 2 diëlektrische lagen aan beide zijden voor het thermisch oxideren. Opmerking: Deze lagen kunnen elektrisch isoleren het substraat van silicium uit de laag van de grond. De procesparameters die worden gebruikt in de natte-oxidatie waren: O 2 debiet van 6.500 sccm, N 2 debiet van 5.000 sccm, H 2 debiet van 7.000 sccm, verwerken van temperatuur van 900 ° C, en verwerken van tijd van 4.5 h (Zie de Inhoudsopgave Materialen voor uitrusting details). Storten 0,2 µm dik Si 3 N 4 lagen aan beide zijden van de wafer met behulp van een lagedruk chemical vapor deposition (LPCVD) proces ( Figuur 3a) ter bescherming van de thermische oxide-lagen tijdens het nat-etsen proces dat wordt weergegeven in Figuur 3 k. Opmerking: De procesparameters gebruikt in het proces van LPCVD zijn: H 2 SiCl 2 debiet van 30 sccm, NH 3 debiet van 100 sccm, druk van 200 mTorr en proces temperatuur van 785 ° C. Dit resulteert in een tarief van de depositie van 40 Å / min (Zie de Tabel van materialen voor uitrusting details). Storten een 1,5 µm dik Al/Cu (1%) laag op de wafer met een sputteren proces en de volgende parameters: Ar debiet van 40 sccm, onder druk van 2 mTorr, en RF vermogen van 300 W. Opmerking: Dit resulteert in een tarief van de depositie van 130 Å / min (Zie de Tabel van materialen voor uitrusting details). Opmerking: Deze laag biedt een massaplaat om RF verlies door het substraat heen van silicium te voorkomen en biedt ook contactpunten voor draad-bonding pads. De aluminiumlegering met 1% koper wordt gebruikt ter voorkoming van friemeltje ontstaan tijdens het bakproces te bereiken een UHV-omgeving. Deze compositie is van essentieel belang voor de preventie van de Bakkebaard. Draai een laag van 2 µm dik positieve fotoresist op het zegel en lithographically patroon om te definiëren van de RF afscherming vliegtuig en draad-bonding pads. Opmerking: De procesparameters voor de 2 µm dik fotoresist zijn: spinnen snelheid van 5,000 tpm, spin tijd van 40 s, pre bak temperatuur van 95 ° C, pre bak tijd van 90 s, blootstelling energie van 144 mJ/cm 2, ontwikkelen tijd van 60 s, na bak temperatuur van 110 ° C, en na bakken tijd van 5 min (Zie de Tabel van materialen voor chemische en uitrusting details). Patroon de 1,5 µm dik Al/Cu (1%) laag met behulp van een conventionele proces van de droog-etsen (reactive ion etching (RIE) of inductief gekoppeld plasma (ICP) etsen), met de fotoresist patroon stap 1.1.5 als masker etsen. Opmerking: Een ICP-etser moet worden gebruikt met de volgende procesparameters: BCl 3 debiet van 20 sccm, Cl 2 debiet van 30 sccm, druk van 5 mTorr en RF vermogen van 750 W. Dit resulteert in een tempo van de etsen van 3.600 Å/min (Zie de Tabel van materialen voor uitrusting details). Verwijderen de fotoresist gebruikt in stap 1.1.6 usung een O 2 plasma itsende proces ( Figuur 3b). Opmerking: De procesparameters voor het itsende proces zijn: O 2 debiet van 150 sccm, druk van 0,75 mTorr en RF vermogen van 300 W (Zie de Tabel van materialen voor uitrusting details). Storten een 14 µm dik SiO 2 laag aan beide zijden van de wafer met behulp van plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD) processen ( Figuur 3 c). Opmerking: De procesparameters gebruikt tijdens de PECVD zijn: SiH 4 debiet van 540 sccm, druk van 1.9 Torr, proces temperatuur van 350 ° C, en RF vermogen van 750 W. Dit resulteert in een tarief van de depositie van 3.000 Å / min (Zie de Tabel van materialen voor uitrusting details). Aangezien storten de 14 µm dik SiO 2 laag een van de moeilijkste processen is, de details worden verder beschreven in de discussie. Spin een 6 µm dik positieve fotoresist laag aan de voorzijde van het zegel en lithographically patroon om te definiëren via-holes om elektrisch DC elektroden aansluit op de draad-bonding pads. Opmerking: De procesparameters voor de 6 µm dik fotoresist zijn: snelheid van 5,000 tpm spin spin tijd van 40 s, pre bak temperatuur van 95 ° C, pre bak tijd van 5 min, blootstelling energie van 900 mJ/cm 2, ontwikkelen van tijd van 10 min, na bakken temperatuur van 110 ° C, en na bakken tijd van 5 min (Zie de Tabel van materialen voor chemische en uitrusting details). Patroon de 14 laag SiO 2 µm dik op de voorkant van de wafer met behulp van een conventionele RIE-proces, met de fotoresist patroon in stap 1.1.9 als masker etsen. Opmerking: De procesparameters voor SiO 2 etsen zijn: CHF 3 debiet van 25 sccm, CF 4 debiet van 5 sccm, Ar debiet van 50 sccm, druk van 130 mTorr en RF vermogen van 600 W. Dit resulteert in een tempo van de etsen van 3.600 Å/min (Zie de Tabel van materialen voor uitrusting details). Verwijder de fotoresist in stap 1.1.10 met een O 2 plasma itsende proces gebruikt. Dompel de wafer in een verwarmde oplosmiddel of bewerk het ultrasone trillingen ten vóór itsende ( figuur 3d). Spin een 6 µm dik positieve fotoresist laag op de achterkant van het zegel en lithographically patroon om te vormen van een oxide harde masker voor de deep reactive ion etching (DRIE) van silicium substraat ( figuur 3j). Patroon de 14 µm dik SiO 2 laag op de achterkant van de wafer met behulp van een conventionele RIE-proces, met de fotoresist patroon in stap 1.1.12 als masker etsen. Verwijderen van de fotoresist gebruikt in stap 1.1.13 met een O 2 plasma itsende proces ( figuur 3e). Een 1,5 µm dik Al/Cu (1%) laag, die wordt gebruikt als de elektrode via een sputteren proces deponeren. Storten een 1 µm dik SiO 2 laag op de wafer met behulp van een PECVD proces ( figuur 3f). Draai een laag van 2 µm dik positieve fotoresist op het zegel en lithographically patroon om te definiëren van de elektroden. Patroon de 1,5 µm dik Al/Cu (1%) laag en de 1 µm dik SiO 2 met behulp van een conventionele ICP ETS proces, met de fotoresist patroon in stap 1.1.17 als de ETS masker. Verwijderen van de fotoresist gebruikt in stap 1.1.18 met een O 2 plasma itsende proces ( Figuur 3 g). Spin een 6 µm dik positieve fotoresist laag op het zegel en lithographically patroon om te definiëren van de 14 µm dik oxide pijler patronen. Patroon de 14 µm dik SiO 2 laag met behulp van een conventionele RIE-proces, met de fotoresist patroon in stap 1.1.20 als masker etsen. Verwijderen van de fotoresist gebruikt in stap 1.1.21 met een O 2 plasma itsende proces ( Figuur 3 h). Spin een 6 µm dik positieve fotoresist laag op het zegel en lithographically het patroon van het blootstellen van de sleuf laden. Patroon van de SiO 2 en Si 3 N 4 lagen met behulp van een conventionele RIE verwerken, met de fotoresist patroon in stap 1.1.23 als de ETS masker. Verwijderen van de fotoresist gebruikt in stap 1.1.24 met een O 2 plasma itsende proces ( figuur 3i). Patroon het silicium substraat op de achterzijde van de wafer met behulp van een DRIE-proces ( figuur 3j). Opmerking: De etsen diepte moet worden gemeten herhaaldelijk om te voorkomen dat de penetratie van de silicium-coating op de achterzijde. Het doel etch diepte is ongeveer 450-470 µm. Het DRIE-proces werd uitgevoerd met iteraties van C 4 F 8 afzetting voor 5 s, C 4 F 8 etch voor 3 s, en Si etch voor 5 s. In de C 4 F 8 afzetting stap, de stroomsnelheid van C 4 F 8, waren SF 6 en Ar 100, 0,5 en 30 sccm, respectievelijk. Merk op dat de Ar wordt gebruikt voor het versnellen van het tempo van de etsen van C 4 F 8 en Si, maar het ook in de C 4 F 8 afzetting stap, met de dezelfde stroomsnelheid toegepast wordt, te stabiliseren de toestand van de druk. In de C 4 F 8 etch stap, de stroomsnelheid werden veranderd in 0.5, 50 en 30 sccm, respectievelijk. In het Si etch stap, stroomsnelheid van 0,5, 100 en 30 sccm, respectievelijk werden gebruikt. De RF-macht en de druk kamer werden ingesteld op 825 W en 23 mTorr in alle stappen. Voor deze voorwaarden, de etsen van de Si bedroeg 1 µm voor elke lus (Zie de Tabel van materialen voor uitrusting details). De wafer dobbelstenen in 10 mm x 10 mm stukken met behulp van een dicing machine. Ontkoppelen de dicing tape van het sterven door dompelen in aceton voor 5 min. schoon het sterven door dompelen het in rijklare gedeïoniseerd water (DI) voor 10 min en isopropylalcohol (IPA) voor 2 min. droog het gedurende 2 minuten op 110 ° C. De zijwanden van de pijlers van de oxide te fabriceren elektrode overstek structuren met behulp van een oxide nat etsen proces voor 60 etch s in een gebufferde oxide etchant (BOE), oftewel (NH 4 F:HF = 6:1) ( Figuur 3 k). Schoon het sterven door dompelen het in stromend DI water voor 10 min en IPA voor 2 min. droog het gedurende 2 minuten op 110 ° C. Dringen de gleuf-vormige ion gat aan de voorkant van het sterven met behulp van een proces van DRIE laden. Opmerking: Het fabricageproces van de ion-trap chips is voltooid bij deze stap ( Figuur 3 l). 2. Voorbereiding van de optische en elektrische apparatuur en overvullen ionen Opmerking: de verzonnen val-chip is verpakt met een chip vervoerder, en de chip vervoerder is geïnstalleerd in een UHV kamer. Terwijl procedures voor het fabriceren van de val-chip-pakket en voor het voorbereiden van de UHV kamer u in het Aanvullend Document vindt, dit gedeelte beschrijft de details voor het opzetten van de optische en elektrische apparatuur en voor overvullen ionen. Voorbereiding van de binnenlandse elektriciteitsverbindingen. Verbinding maken met een meerkanaals digitaal-naar-analoog converter (DAC) om de feedthrough aan de achterzijde van de kamer van de UHV spanning van toepassing op de overeenkomstige DC controle elektroden. Opmerking: Figuur 4 bevat een voorbeeld van de spanning op de val-chip toegepast. De gedetailleerde wijze voor het ontwerpen van dergelijke een DC spanning set wordt beschreven in het Aanvullend Document. Een stroombron verbinden met een oven-pin in de feedthrough aan de achterkant. Toevoegen een directionele coupler tussen een RF-generator en de spiraalvormige resonator. Verbinden met het signaal van de RF-generator de uitvoerpoort van de directionele coupler. Ook de invoerpoort van de directionele coupler verbinden met de invoerpoort van de spiraalvormige resonator. Opmerking: Deze configuratie maakt het mogelijk voor de controle van de teruggekaatste energie van de spiraalvormige resonator 36. Pas de positie van het GLB spiraalvormige resonator en scannen van de frequentie van de generator te vinden de frequentie waartegen de reflectie minimaal is. Herhaal deze stap totdat de globale minimum is gevonden. Opmerking: De frequentie op het globale minimum is de resonant frequentie. Gebruik van een spectrum-analyzer met een tracking generator optie of meting van de parameter 11 S met een netwerkanalyse kunt vereenvoudigen het scanproces voor de minimale reflectie. Als een van de elektrische verbindingen met een DAC spanningsbron of de huidige bron voor de oven wordt gewijzigd, de impedantie van de RF-feedthrough wordt gewijzigd, en de resonant frequentie zal verschuiven. Uitschakelen van de RF-generator. Let op: Als de spiraalvormige resonator hoogspanning RF toe te aan de val passen is, veranderen niet de elektrische verbindingen, die leiden veranderingen van de impedantie tot kunnen. De impedantie van de plotselinge wijzigingen kunnen gemakkelijk branden de draden van de hechting van de chip. Aanpassing van de 369.5 nm laser en het imaging systeem. Collimate de 369.5-nm laser uit een optische vezel met behulp van een collimator en proberen aan de hoogte van de collimator van het oppervlak van de optische tabel op de hoogte van de chip; maken de lichtbundel horizontaal verspreiden. Stel het teeltmateriaal richting van de collimated 369.5-nm lichtbundel naar de val-chip, via de linker- of viewport van de kamer van de UHV, zoals afgebeeld in Figuur 5. Grof uitlijnen zodat de laserstraal verspreidt zich parallel aan het oppervlak van de trap-chip en bijna het oppervlak van de chip raakt. Mount een focus lens voor de 369.5-nm laser op het podium van een vertaling. Plaats de focus lens langs de teeltmateriaal richting, zodat de laser in de nabijheid van de positie van de overvulling boven het oppervlak van de chip zal worden gericht en zodat de gerichte laser langs het oppervlak van de trap-chip doorgegeven. Pas de positie van de focus lens met de fase van de vertaling; de positie van de laser beam focus zal volgen het verkeer van de focus lens. Plaats een middelbare-numerieke-diafragma imaging lens gemonteerd op een podium van de vertaling voor de kamer van de UHV, gelet op de afstand van het oppervlak van de chip ( Figuur 5). De 369.5-nm bundel met het oppervlak van de trap-chip uitlijnen zodat er één of andere hoeveelheid laser verstrooiing van het oppervlak van de chip. Opmerking: De verstrooide licht verzameld door de imaging lens zal vormen een vaag beeld rond het beeldvlak van de lens. Dit beeld kan over het algemeen worden waargenomen, zelfs met TL papier wanneer het gebied voldoende donker is. Pas de positie van de beeldvorming lens het beeld op de fluorescerende papier pas scherpe. Plaats een elektron-vermenigvuldigd betalen-coupled apparaat (EMCCD) gemonteerd op een vertaling podium, gelet op de locatie van de beeldvorming vliegtuig van de lens, gevonden in de vorige stap. Mount een infrarood (IR)-filter voor de EMCCD te blokkeren de zwart lichaam straling uit de oven wanneer de oven wordt verwarmd voor verdamping. Mount een 369.5-nm bandfilter filter voor de EMCCD voor het blokkeren van de achtergrond licht. Vergelijken de afbeelding van de EMCCD met de indeling van de elektroden. Pas de standpunten van de EMCCD en de lens van de afbeelding totdat de elektroden met de EMCCD zien te. Uitlijnen van zowel de EMCCD als de imaging lens totdat het beeld scherp. Identificeren welke elektroden worden weergegeven in de EMCCD en de EMCCD zodat deze overeenkomen met het centrum naar de locatie van de verwachte vangst uitlijnen. De 369.5-nm balk verticaal uitlijnen zodat het de positie overvulling passeren zal Om uit te vinden de afstand tussen het midden van de balk en het oppervlak van de trap, de straal naar het oppervlak van de trap te verplaatsen totdat de verstrooiing van de lichtbundel is gemaximaliseerd. Opmerking: Na stap 2.2.12, kan worden aangenomen dat het midden van de lichtbundel recht op het oppervlak van de chip is. Van de numerieke simulatie van de val potentiële 29, vinden de verwachte hoogte van de positie van de overvulling ion van het oppervlak van de chip. Verplaats de 369.5 nm straal uit de buurt van het oppervlak van de chip door de verwachte hoogte met behulp van de micrometer van de lens vertaling fase. De imaging lens en de EMCCD terug bewegen door dezelfde afstand. Noteer de micrometer metingen van de beeldvorming lens en de EMCCD. Uitlijning van de 399 nm en 935 nm lasers en de oven test Vervangen de 369.5 nm bandfilter filter met een 399 nm bandfilter filter. Van de numerieke simulatie van de beeldvorming lens, vinden het verschil tussen de brandpuntsafstand van licht 399-nm en die van 369.5-nm licht als gevolg van de chromatische aberratie. Aanpassen van de longitudinale standpunten van de beeldvorming lens en de EMCCD te maken van de 399-nm gericht op de EMCCD. Collimate van de 399 en 935 nm balken, verlost van de optische vezels, met de respectieve collimator, en aanpassen van de hoogten van de collimator van de vezels aan de hoogte van de chip te maken beide balken horizontaal verspreiden. Uitlijnen de 399 nm lichtbundel naar het oppervlak van de trap-chip via een ander viewport zodanig dat de 399 nm laser is teeltmateriaal in de tegenovergestelde richting van de 369.5 nm laser. Proberen te maken van de collimated 399 nm laser overlap met de gerichte laser voor 369.5 nm. De collimated 935 nm lichtbundel combineren met de collimated 399 nm laser met behulp van een dichroïde spiegel en uitlijnen van de 935 nm lichtbundel, zodanig dat de 935 nm laser die mede wordt doorgegeven met de laser 399-nm. Doorschakelen om te controleren hoe goed de twee stralen elkaar overlappen met elkaar, die twee balken met een tijdelijke spiegel voordat ze invoeren van de kamer en het meten van de locaties van de balken op de weg van de lichtbundel met een beam profiler of een gaatje. Als ruimte onvoldoende is voor het plaatsen van de tijdelijke spiegel tussen de kamer en de focus lens, kunt u overwegen de optische setup zetten een kleine optische breadboard; de mate van overlapping kan worden gecontroleerd op een aparte plek. Een focus lens voor beide lasers op een extra vertaling stadium monteren en instellen van de focus lens tussen de dichroïde spiegel en de tijdelijke spiegel. Schatten van de afstand vanaf de tijdelijke mirror naar de positie van de overvulling en pas de locatie van de focus lens zodat de 399 nm laser is gericht op de positie van de overvulling ( Figuur 6b). Controleren of de focus van de 399 nm laser met de focus van de 935 nm laser samenvalt. Als de twee foci elkaar niet overlappen, fijn uitlijnen de 935 nm laser. Verwijder de tijdelijke spiegel in het 399 nm laser pad. Controleer het spoor van de 399 nm laser op het oppervlak van de chip met behulp van EMCCD. Als geen spoor van de 399 nm laserstraal kan worden waargenomen, verplaatsen de 399 nm lichtbundel pad rond de chip. Ook iets pas de afstand tussen de kamer en de beeldvorming lens totdat de afbeelding van het oppervlak van de chip scherpe wordt. Uitlijnen de trace van de 399 nm lichtbundel op het oppervlak van de chip, zodanig dat het de positie van de verwachte vangst zal passeren. Gelijkaardig aan de 369.5 nm lichtbundel uitlijning, zet de straal van de 399-nm naar het oppervlak van de chip tot de intensiteit van het verstrooide licht wordt gemaximaliseerd. Verplaatsen de 399 nm laserstraal uit de buurt van het oppervlak van de chip door dezelfde hoogte gebruikt in stap 2.2.13 met behulp van een micrometer. De imaging lens en de EMCCD terug verplaatsen door dezelfde afstand. Zetten de tijdelijke spiegel gebruikt in stap 2.3.4 terug. Herhaal stap 2.3.6 en verwijder de tijdelijke spiegel. Opmerking: Na stap 2.3.10, de 935 nm-laser kan worden aangenomen dat de positie van de overvulling boven het oppervlak van de chip worden langs. Instellen de golflengte van de laser van de 399 nm dicht bij de 1 S 0-1 P 1 overgang van 174 Yb (751,526 GHz). Inschakelen van de stroom voor de oven gevuld met natuurlijk voorkomende Yb en geleidelijk verhogen van de huidige. Opmerking: In het algemeen, verdamping niet noodzakelijkerwijs start bij de dezelfde huidige gevonden door de resterende gas analyzer (RGA), zoals beschreven in het Aanvullend Document, dus probeer verschillende huidige waarden tot verdamping wordt waargenomen. Alleen wanneer de neutrale Yb-atomen beginnen te verdampen en de frequentie van de laser is resonant met de 1 S 0-1 P 1-overgang van een van de Yb-isotopen, de neutrale Yb atomen beginnen zal te absorberen de laser licht en opnieuw afgeven het zodanig dat de fluorescentie van de Yb kan worden waargenomen met de EMCCD. In het algemeen zijn de resonantiefrequenties gemeten door een golflengte meter verschoven van de nominale waarden, variërend van tientallen tot honderden MHz. Voor elke huidige instelling, de frequentie van de laser met een bereik bereik van 1 GHz en een stap van minder dan 50 MHz scannen wordt daarom aangeraden. Zodra de resonant fluorescentie van de natuurlijk voorkomende oven wordt waargenomen, verminderen de huidige totdat de fluorescentie kan niet worden nageleefd. Scannen van de laser rond de eerste resonant frequentie en noteer de hoeveelheid fluorescentie bij elke resonantie. Vergelijk de verdeling van de fluorescentie-sterkte en de afstand tussen de resonanties met de waarden uit 37. Identificeren van de resonantie frequenties voor de verschillende isotopen. Opmerking: De resonantie van 174 Yb is gemeten om ongeveer 751.52646(2) THz. Echter, deze waarde is iets verschoven door het Doppler effect, en de gemeten waarde kan variëren afhankelijk van de nauwkeurigheid van de meter van de golflengte. Ionen overvullen. Het 369.5 nm bandfilter filter vervangen door de 399 nm bandfilter filter en verplaatsen van de beeldvorming lens en de EMCCD terug naar de positie die verkregen in stap 2.2.13 zodat de fluorescentie van de 369.5-nm uitgestoten door ionen gevangen beeld kan worden op de EMCCD. Controleer de uitlijning van alle de lasers één meer tijd door herhalende stap 2.2.12 en met behulp van UV- en IR bekijken van kaarten voor de visuele inspectie van de lichtbundel overlapping. Controleren die de spanningen van de DAC eenRe goed ingesteld. Inschakelen van de RF-generator bij de instelling van een zeer laag energieverbruik en geleidelijk verhogen van het vermogen. Ook, zorg ervoor dat de teruggekaatste energie van de spiraalvormige resonator nog steeds het minimum is door het scannen van de RF-frequentie rond de resonantie. Let op: Zorg ervoor dat de versterkte spanning aan de val chip niet groter is dan de verdeling spanning. Atmosferische druk, de diëlektrische sterkte van een SiO 2 film bekend is ongeveer 10 7 V/cm, maar deze waarde kan niet worden aangenomen in de omgeving van UHV. Hoewel de exacte verdeling spanning in de omgeving van UHV niet expliciet wordt gemeten, de 8-µm laterale kloof van de overvulling chip in een 10 -11-Torr vacuüm doorstaat 240 V van RF amplitude van de spanning in de experimentele opzet. De frequentie van de laser van 399-nm ingesteld op de resonantiefrequentie van 174 Yb, geïdentificeerd in stap 2.3.13. Stel de frequentie van de laser van de 935-nm voor de isotoop 174 Yb +. Opmerking: Met een golflengte meter, 320.57199(1) THz kan worden gebruikt, maar vanwege de beperkte nauwkeurigheid van golflengte meter, kan er een variatie tot tientallen MHz. Stel de frequentie van de laser van de 369.5-nm op een waarde die is ~ 100-200 MHz lager dan de resonantiefrequentie zo dat zelfs als er één of andere hoeveelheid onnauwkeurigheid met de golflengte-meter, de frequentie zullen nog steeds rood-ontstemd. Opmerking: Hier, 200-MHz verstemming wordt afgetrokken van de verwachte resonantie wanneer de verwachte resonant frequentie van de 174 Yb + rond 811.29152(1) THz is. Inschakelen in de huidige bron voor de oven en de verhoging van de huidige langzaam totdat hij de waarde gevonden in stap 2.3.12 bereikt. Wacht een paar minuten. Als geen ion is gevangen, verhogen van de huidige door ~0.1-0.2 A en weer wachten. Als de ion nog steeds niet gevangen is, controleren of de gereflecteerde RF nog steeds minimaal is en vervolgens geleidelijk verhogen het vermogen van de RF-generator. Let op: Zorg ervoor dat de versterkte spanning aan de val chip niet groter is dan de verwachte verdeling spanning. Kort blokkeren de 935 nm laser en controleer of er wijzigingen in de afbeelding. Opmerking: Als de instellingen van de EMCCD (met inbegrip van de elektron-vermenigvuldigen (EM) winst, belichtingstijd en contrast van het beeld) niet binnen een juiste bereik, zelfs wanneer een ion is gevangen, het is niet gemakkelijk om te vertellen of de verandering van de intensiteit in de nabijheid van de overlapping regio wordt veroorzaakt door een echte gevangen ion of door de verandering in de verstrooiing van de 369.5 nm laser. Vanwege de IR-filter tonen niet de EMCCD camera elke wijziging in de 935 nm laser, zodat het blokkeren van de 935 nm laser geen wijzigingen op de afbeelding maakt wanneer er geen gevangen ion. Echter, als een ion is gevangen, het tarief van de verstrooiing van de 369.5 nm laser daalt aanzienlijk zonder de 935 nm laser. Daarom de wijziging in de afbeelding van de EMCCD veroorzaakt door het blokkeren van de 935 nm laser is een goede indicator voor het succes van overlapping ionen. Let op: Als de 935 nm laser is geblokkeerd voor te lang, de gevangen ion wordt verwarmd en de val zou kunnen ontsnappen. Zet de oven na de ionen zitten. Proberen te vinden van de resonantie van de 369.5 nm laser door het geleidelijk aan verhogen van de frequentie. Opmerking: Als de frequentie dichter bij de resonantie wordt, de verstrooiing tarief zal toenemen, maar zodra de resonantie wordt doorkruist, de 369.5 nm laser begint de ion Verwarming in plaats van koeling die op zijn beurt de oorzaken het imago van de gevangen ion kan mogelijk instabiel worden. Zodra de resonantiefrequentie van de 369.5 nm laser wordt gevonden, vermindering van de frequentie van de laser door 10 MHz van de resonantie. De frequentie van de 935 nm laser scan tot het tarief van de verstrooiing van 369.5 nm wordt gemaximaliseerd. Pas de locaties van de beeldvorming lens en de camera van de EMCCD totdat het beeld van de ion scherpt.

Representative Results

Figure 7 toont de scanning electron microfoto (SEM) van de gefabriceerde ion-trap-chip. De RF elektroden, innerlijke DC elektroden buitenste DC elektroden en laden sleuf werden met succes vervaardigd. Het profiel van de zijwand van de diëlektrische pijler werd gekartelde omdat de PECVD oxide werd afgezet in verschillende stappen. De verschillende stappen van de depositie werden gebruikt om het minimaliseren van de effecten van residuele stress uit dikke oxide films. Dit wordt verder beschreven in de discussie. Figuur 8 toont het EMCCD beeld van vijf 174Yb+ ionen gevangen met behulp van de chip van de ion-val microfabricated. De gevangen ionen kunnen gedurende meer dan 24 uur duren met continue Doppler koeling. Het aantal gevangen ionen kan tussen 1 en 20 worden aangepast door de toegepaste DC spanning set wijzigt. Deze experimentele opstelling is is zeer betrouwbaar en robuust en momenteel in bewerking 50 maandenlang. Figuur 9 toont de pendelen van gevangen ionen langs de axiale richting. De positie van de ion in figuur 9b is daaruit ontheemden in de figuur 9a door middel van de aanpassing van de positie van het DC potentiële minimum door het veranderen van de DC-spanningen. Figuur 10 ziet u voorlopige resultaten van Rabi trilling experimenten met een 171Yb+ -ion. Voor het verkrijgen van de resultaten, werden de extra opstellingen beschreven in het Aanvullend Document gebruikt. De resultaten waren opgenomen om te laten zien van een mogelijke toepassing van de experimentele opstelling in dit document uitgelegd. Figuur 1: schematische van de oppervlakte ion trap. (een) de rode stippen geven de gevangen ionen. De bruine en gele elektroden geven de RF en DC-elektroden, respectievelijk. De grijze pijlen geven de richting van het elektrisch veld in de positieve fase van de RF-spanning. Merk op dat het schema niet wordt getekend op schaal. (b) de verticale afmetingen van de elektrode structuur. (c) de laterale afmetingen van de elektrode structuur. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer. Figuur 2: Vereenvoudigde energieniveau diagrammen voor een 174Yb+ -ion en een neutrale 174Yb-atoom. (een) wanneer een 369.5 nm laser is ontstemd aan de rode kant (lagere frequentie) van de resonantie, een fietsen overgang tussen 2P1/2 en 2S1/2 vermindert de kinetische energie van de ion vanwege de Doppler effect. Soms een kleine maar eindige vertakkende verhouding maakt het elektron verval van 2P1/2 tot 2D3/2, en een laser 935-nm is vereist om het elektron weer terug naar de belangrijkste fietsen overgang. Het elektron kan ook verval in een staat van 2F7/2 keer per uur, gemiddeld, en een 638 nm-laser kan het pompen uit de 2F7/2 staat, maar dit is niet nodig voor een eenvoudig systeem38. De waarden in de ket-notatie vertegenwoordigen de prognoses van de totale angular momenta J langs de kwantisatie as mJ. (b) te ioniseren neutrale atomen verdampt uit de oven, een twee-foton absorptie-proces was gebruikte39. Een 399 nm laser enthousiast een elektron 1P1 staat, en het 369.5 nm foton voor het koelen van Doppler had meer energie dan nodig is om het opgewonden elektron van het ion. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer. Figuur 3: verloop van het proces van de fabricage van een oppervlakte ion trap. (een) thermische oxidatie te groeien een 5.000 Å-dikke SiO2 laag en LPCVD van een 2.000 Å-dikke Si3N4 laags. (b) afzetting en ICP ETS van een 1,5 µm dik plaatgaasfolie Al laag. (c) afzetting van een 14 µm dik SiO2 laag aan de beide zijden van de wafer via PECVD processen. (d) patronen van de 14 µm dik SiO2 laag gestort op de voorzijde van de wafer middel van een RIE procédé (e) patronen van de 14 µm dik SiO2 laag gestort op de achterkant van de wafer met behulp van een RIE-proces. (f) afzetting van een 1,5 µm dik plaatgaasfolie Al laag en een 1 µm dik PECVD SiO2 . (g) patronen van de 1,5 µm dik Al laag met behulp van een ICP-proces en de 1 µm dik SiO2 met behulp van een RIE verwerken. (h) patronen van de 14 µm dik SiO2 laag gestort aan de voorzijde van de wafer met behulp van een RIE-proces. (ik) patronen van de 5.000 Å-dikke SiO2 laag en de 2.000 Å-dikke Si3N4 met behulp van een RIE verwerken. (j) DRIE van het silicium substraat 450 µm vanaf de achterkant van het zegel. (k) nat-etsen van de SiO2 laag op de Al-elektroden en de zijwanden van de diëlektrische pijlers. (l) penetratie van het silicium substraat vanaf de voorzijde door een proces van DRIE. Merk op dat de schema’s worden niet getekend op schaal. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer. Figuur 4: een voorbeeld van de DC-spanning instellen gebruikt voor de overlapping van ionen. De spanningen die zijn toegepast op de innerlijke rails kunnen compenseren voor het asymmetrische elektrische veld in horizontale richting te kantelen van de belangrijkste assen van het totale potentieel in het dwarsvlak. De frequentie van de axiale trap gegenereerd door de verzameling van de spanning werd 550 kHz. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer. ether.within-pagina = “1” > Figuur 5: schematische van de optische setup. Drie diodelasers zijn uitgelijnd zodat overlappen op de positie van de overvulling. De verzonken viewport van de UHV kamer kunt de imaging lens wordt zo dicht mogelijk bij de chip oppervlak. Een flip-spiegel geplaatst tussen de imaging lens en de EMCCD voorziet in het selectieve toezicht op de ion-fluorescentie met behulp van ofwel een foton vermenigvuldigd buis (PMT) of een EMCCD. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer. Afbeelding 6: afbeeldingen van de geconstrueerde optische setup. (een) A spoel is gewikkeld rond de voorkant viewport van de kamer voor het genereren van een magnetisch veld, die ontaarde energie-niveaus van ytterbium ionen kan breken. (b) de optische setup voor de besturing van de 399 nm en 935 nm balken. De rode en groene lijnen geven het pad van de lichtbundel van de 935 nm en 399 nm lasers, respectievelijk. (c) de configuratie voor het imaging systeem, met inbegrip van de flip-spiegel, de imaging lens, de EMCCD en de vervaldatum Het pad van de fluorescentie die wordt uitgestoten uit de gevangen ionen kan worden bepaald door de flip-spiegel. De groene en witte pijlen geven het pad van de fluorescentie als wordt gecontroleerd door de EMCCD en de bet, respectievelijk. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer. Figuur 7: resultaten van de fabricage van de oppervlakte ion trap. (een) overzicht van de lay-out van de chip. (b) een vergrote weergave van de chip-indeling, waarin de meerdere buitenste DC elektroden. (c) een vergrote weergave van chip-indeling, waarin de sleuf laden. (d) een transversale zicht op de overlapping regio voordat het penetreren van de sleuf laden. (e) een transversale zicht op de overlapping regio na het penetreren van de sleuf laden. (f) A vergroot transversale weergave van de pijler oxide. De oxide pijlers hebben gekartelde muren, en de lengte van de overhang niet volstaan, die wordt toegeschreven aan het tarief van de niet-uniforme etsen van de SiO-2 op de interfaces tussen de afzonderlijk gedeponeerde 3,5 µm dik SiO2 lagen. (g) A bovenaanzicht van een draad-lijmen-pad van een DC-elektrode. (h) A transversale weergave van een via. Geneigd profielen van de oxide pijlers toestaan voor de aansluiting van de DC-elektrode en de bodemgrond tijdens de afzetting van de Al laag op de zijkant van de oxide pijler in plaats van vulling de via gaten met een proces van galvaniseren. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer. Figuur 8: een EMCCD beeld van vijf 174Yb+ ionen gevangen op de chip van de ion-val microfabricated. Het beeld van de structuur van de elektrode oppervlakte val apart werd genomen, en de beelden van de gevangen ion en de elektroden voor de duidelijkheid werden samengevoegd. De intensiteit legende geldt alleen voor de pixels in het vak. De dikke pijl geeft het pad van de straal van de laser nm 369.5 en de dunne pijlen staan voor de x – en z-componenten van de dynamiek van het foton. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer. Figuur 9: aanpassing van het axiale potentieel van de gevangen ionen in een lineaire keten. (een) zeven ionen in het midden van de val. (b) de ionen waren pendelde tientallen micrometers. (c) de ion-tekenreeks geperst in de axiale richting. Dit cijfer is het best bekeken als een film, die afzonderlijk wordt geupload. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer. Figuur 10: Experimentele resultaten van Rabi oscillaties tussen de | 0 en | 1 Staten. | 0 is gedefinieerd als de 2S1/2| F = 0, mF= 0 stand van de 171Yb+ ion, en | 1 is gedefinieerd als de 2S1/2| F = 1, mF= 0 staat. De Rabi trilling wordt veroorzaakt door een 12.6428-GHz magnetron. Bloch bollen boven de plot Toon het overeenkomstige kwantumtoestanden op verschillende tijdstippen. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer. Aanvullend Document: Gelieve Klik hier om dit document te downloaden.

Discussion

Deze paper gepresenteerd een methode voor overvullen ionen met microfabricated oppervlak ion vallen. De bouw van een ion overlapping systeem vereist ervaringen in verschillende onderzoeksgebieden maar eerder niet in detail zijn beschreven. In deze paper wordt gedetailleerde procedures voorzien door microfabricating een val chip alsook wat betreft de bouw van een experimentele opstelling voor het overvullen van ionen voor de eerste keer. Dit papier ook verstrekt gedetailleerde procedures voor overvullen 174Yb+ -ionen en experimenteren met gevangen ionen.

Een belangrijk obstakel geconfronteerd in de procedures van de microfabrication is de afzetting van de diëlektrische laag, met een dikte van meer dan 10 µm. Tijdens de afzetting van de dikke diëlektrische laag, kan resterende stress opbouwen, die kan leiden tot schade aan de diëlektrische film of zelfs breken de wafer. Om de resterende stress, dat over het algemeen druksterkte is, moet een langzame afzetting tarief gebruikte40. In ons geval, werd een drukspanning van 110.4 MPa gemeten met de voorwaarden van de depositie van 540 sccm SiH4 gasstroom, 140 W van RF power en 1.9 Torr druk op 5-µm laagdikte. Deze proces-voorwaarden evenwel alleen een ruwe verwijzing, omdat deze voorwaarden aanzienlijk voor verschillende apparatuur variëren kunnen. Ter beperking van de gevolgen van de opgehoopte spanning, werden 3,5 µm dik SiO2 films gestort alternatingly aan beide zijden van het zegel in de onderhavige methode. De benodigde dikte van de diëlektrische laag kan worden verminderd als een kleinere RF spanning amplitude en vandaar een ondieper val diepte is gekozen. Een ondieper val diepte leidt echter gemakkelijk tot het ontsnappen van gevangen ionen, waardoor de fabricage van dikkere diëlektrische lagen, die bestand zijn tegen hogere RF spanningen, meer wenselijk is.

Er zijn enkele beperkingen aan de fabricage methode gepresenteerd in dit document. De lengtes van de overhangen volstaan niet om volledig verbergen de diëlektrische zijwanden van de gevangen ionen, zoals weergegeven in figuur 7f. Bovendien zijn de zijwanden van de oxide pijlers gekarteld, verhoging van het blootgestelde gebied van de diëlektrische zijwanden ten opzichte van de verticale oxide pijler. In het geval van de zijwand van de innerlijke DC spoor in de buurt van de sleuf laden met een uniforme overstek van 5 µm, wordt bijvoorbeeld berekend dat 33% van het niet-geleidend oppervlak wordt blootgesteld aan de gevangen ion-positie van de verticale zijkant aangegeven spanningsindex. In het geval van gekarteld-rand, is meer dan 70% van de oppervlakte van de zijwand blootgesteld. De resultaten van deze niet-ideale fabricage extra verdwaalde velden uit de blootgestelde diëlektrica kunnen veroorzaken, maar de effecten zijn niet kwantitatief gemeten. De verzonnen chip zoals gerapporteerd hierboven is echter met succes gebruikt in ion overlapping en qubit manipulatie experimenten. Bovendien heeft de chip van de trap gepresenteerd in deze paper silicon zijwanden in de buurt van de sleuf laden blootgelegd. Native oxide kan groeien op de oppervlakken van silicium en kan resulteren in extra verdwaalde velden. Daarom is het aanbevolen om bescherming van het substraat van silicium met een extra metalen laag, net als in33.

Voor het overvullen van 174Yb+ ionen, de frequenties van de lasers binnen enkele tientallen MHz moeten worden gestabiliseerd, en een paar verschillende methoden worden besproken in geavanceerde opstellingen38,41. Echter, voor de eenvoudige configuratie in dit Groenboek besproken eerste overlapping is mogelijk alleen met stabilisatie met behulp van een golflengte meter.

Dit document verstrekt een protocol voor het overvullen van 174Yb+ ionen met behulp van een microfabricated oppervlak ion-trap chip. Hoewel het protocol voor het overlappen van 171Yb+ ionen is niet specifiek aan de orde, kan de experimentele opstelling in dit artikel wordt beschreven ook worden gebruikt voor de overlapping van 171Yb+ ionen en te manipuleren de qubit staat van de 171 Yb+ ionen Rabi trilling om resultaten te verkrijgen (Zie Figuur 10). Dit kan worden gedaan door het toevoegen van verschillende optische modulatoren op de uitgang van de lasers en met behulp van een magnetron setup, zoals beschreven in het Aanvullend Document.

Kortom, kunnen de experimentele methoden en de resultaten gepresenteerd in dit document worden gebruikt om verschillende quantum informatietoepassingen met behulp van oppervlakte ion vallen te ontwikkelen.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dit onderzoek werd slechts gedeeltelijk ondersteund door het ministerie van wetenschap, ICT, en toekomst Planning (MSIP), Korea, onder de informatie technologie Research Center (ITRC) ondersteuning programma (IITP-2017-2015-0-00385) en de ICT-R & D programma (10043464, ontwikkeling van Quantum repeater technologie voor de toepassing op communicatiesystemen), begeleid door het Instituut voor informatie & communicatie technologie promotie (IITP).

Materials

photoresist used for 2-μm spin coating AZ Materials AZ7220 Discontinued. Easily replaced by other alternative photoresist product.
photoresist used for 6-μm spin coating AZ Materials AZ4620 Discontinued. Easily replaced by other alternative photoresist product.
ceramic chip carrier NTK IPKX0F1-8180BA
epoxy compound Epotek 353ND
Plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) system Oxford Instruments PlasmaPro System100
Low pressure chemical vapor deposition (LPCVD) system Centrotherm E-1200
Furnace Seltron SHF-150
Sputter Muhan Vacuum MHS-1500
Manual aligner Karl-Suss MA-6
Deep Si etcher Plasma-Therm SLR-770-10R-B
Inductive coupled plasma (ICP) etcher Oxford Instruments PlasmaPro System100 Cobra
Reactive ion etching (RIE) etcher Applied Materials P-5000
Boundary element method (BEM) software CPO Ltd. Charged Particle Optics
Single crystaline (100) silicon wafer STC 4SWP02 100 mm / (100) / P-type / SSP / 525±25 μm
metal tubes Mcmaster-carr 89935K69 316 Stainless Steel Tubing, 0.042" OD, 0.004" Wall Thickness
Yb piece Goodfellow YB005110 Ytterbium wire, purity 99.9%
enriched 171Yb Oak Ridge National Laboratory Yb-171 https://www.isotopes.gov/catalog/product.php?element=Ytterbium
tantalum foil The Nilaco Corporation TI-453401 0.25x130x100mm 99.5%
Kapton-insulated copper wire Accu-glass 18AWG (silver plated copper wire kapton insulted)
residual gas analyzer (RGA) SRS RGA200
turbo pump Agilent Twistorr84 FS
all-metal valve KJL manual SS All-Metal Angle Valves (CF flanged)
Leak detector (used as a rough pump) Varian PD03
ion gauges Agilent UHV-24p
ion pump Agilent VacIon Plus 20
NEG pump SAES Getters CapaciTorr D400
spherical octagon Kimball Physics MCF600-SphOct-F2C8
ZIF socket Tactic Electronics P/N 100-4680-002A
multi-pin feedthroughs Accu-Glass 6-100531
25 D-sub gender adapters Accu-Glass 104101
Recessed viewport Culham Centre for Fusion Energy 100CF 316LN+20.9 Re-Entrant 316 (Custom order) Disc material: 60cv Fused Silica 4mm THK, TWE Lambda 1/10, 20/10 Scratch-Dig
Recessed viewport AR coating LaserOptik AR355nm/0-6° HT370-650nm/0-36° on UHV (Custom order) AR coating was performed in the middle of the fabrication of the recessed viewport
Digital-analog converter AdLink PCIe-6216V-GL
369.5nm laser Toptica TA-SHG Pro
369.5nm laser Moglabs ECD004 + 370LD10 + DLC102/HC
399nm laser Toptica DL 100
935nm laser Toptica DL 100
369.5nm & 399nm optical fiber Coherent NUV-320-K1 Patch cables are connectorized by Costal Connections.
935nm optical fiber GouldFiber Optics PSK-000626 50/50 fiber beam splitter made of Corning HI-780 single mode fiber to combine 935nm and 638nm together.
Wavelength meter High Finesse WSU-2
temporary mirror Thorlabs PF10-03-P01
Dichroic mirror Semrock FF647-SDi01-25×36
369.5nm & 399nm collimator Micro Laser Systems FC5-UV-T/A
935nm collimator Schäfter + Kirchhoff 60FC-0-M8-10
369.5nm focusing lens CVI PLCX-25.4-77.3-UV-355-399 Focal length: ~163mm @ 369.5nm
399nm & 935nm focusing lens CVI PLCX-25.4-64.4-UV-355-399 Focal length: ~137mm @ 399nm, ~143mm @ 935nm
imaging lens Photon Gear P/N 15470
369.5nm bandpass filter Semrock FF01-370/6-25
399nm bandpass filter Semrock FF01-395/11-25
IR filter Semrock FF01-650/SP-25
EMCCD camera Andor Technology DU-897U-CS0-EXF
PMT Hamamatsu H10682-210
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. , (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. , (2011).
  26. Ghosh, P. K., ed, ,. 1. s. t. . Ion Traps. , (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. . 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. , (2013).
  40. Kern, W. . Thin film processes II. , (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

Ion TrappingMicro-fabricated Surface Ion TrapsQuantum Information ProcessingQuantum ComputingVacuum ChamberYtterbium IonsRadio Frequency ElectrodesDC VoltagesUltra-high Vacuum SystemOvenDiode LasersImaging System

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Hong, S., Lee, M., Kwon, Y., Cho, D. “., Kim, T. Experimental Methods for Trapping Ions Using Microfabricated Surface Ion Traps. J. Vis. Exp. (126), e56060, doi:10.3791/56060 (2017).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image