Este trabalho apresenta uma metodologia de microfabrication para superfície armadilhas de íons, bem como um procedimento experimental detalhado para íons de itérbio armadilhas em um ambiente de temperatura.
Preso em um armadilha de Paul de quadrupolo de íons têm sido considerados um dos fortes candidatos físicos para implementar o processamento da informação quântica. Isto é devido ao seu tempo de coerência de tempo e sua capacidade de manipular e detectar pedaços individuais quântica (qubits). Em anos mais recentes, microfabricated superfície ion armadilhas ter recebido mais atenção para plataformas qubit integrado em larga escala. Este trabalho apresenta uma metodologia de microfabrication íon armadilhas usando tecnologia de sistemas microeletro-mecânico (MEMS), incluindo o método de fabricação para um 14 µm de espessura camada dielétrica e metal pendem sobre estruturas no topo da camada dielétrica. Além disso, um procedimento experimental para aprisionando os íons de itérbio (Yb) isótopo 174 (174Yb+) usando 369.5 nm, 399 nm, e 935 lasers de diodo nm é descrito. Estes procedimentos e metodologias envolvem muitas disciplinas científicas e de engenharia, e este papel primeiro apresenta os procedimentos detalhados de experimentais. Os métodos abordados neste artigo podem ser facilmente estendidos para a captura de íons Yb de isótopo 171 (171Yb+) e a manipulação dos qubits.
Uma armadilha de Paul pode confinar partículas carregadas, incluindo íons no espaço vazio, usando uma combinação de um campo elétrico estático e um campo elétrico variável, oscilando a radiofrequência (RF), e os estados quânticos dos íons confinados na armadilha pode ser medidos e controlada1,2,3. Tais armadilhas de íons foram originalmente desenvolvidas para aplicações de medição precisa, incluindo relógios ópticos e espectroscopia de massa4,5,6. Nos últimos anos, estas armadilhas de íons têm também sido ativamente exploradas como uma plataforma física para implementar o processamento de informação quântica atribuído às características desejáveis de íons presos, como longos períodos de coerência, isolamento ideal em uma altíssima ambiente de vácuo (UHV) e a viabilidade de manipulação qubit individual7,8,9,de10. Desde Kielpinski et al. 11 , proposta uma arquitetura escalável íon-armadilha que pode ser usada para desenvolver computadores quânticos, vários tipos de armadilhas de superfície, incluindo a junção armadilhas12,13, armadilha multi-zona fichas14e matriz 2D armadilhas15,16,17, foram desenvolvidos utilizando semicondutores derivado de processo microfabrication métodos18,19,20,21 . Em grande escala quântica processamento de informações sistemas baseados na superfície de armadilhas também têm sido discutiram22,23,24.
Este documento apresenta os métodos experimentais de íons de captura com armadilhas de íon microfabricated superfície. Mais especificamente, um processo para a fabricação de superfície ion armadilhas e um procedimento detalhado para íons de captura usando as armadilhas fabricadas são descritos. Além disso, descrições detalhadas de várias técnicas práticas para configurar o sistema experimental e aprisionando os íons são fornecidas no Documento complementar.
A metodologia para microfabricating uma superfície armadilha do íon é dada na etapa 1. A Figura 1 mostra um esquema simplificado de uma armadilha de íon a superfície. Os campos elétricos gerados pela tensão aplicada aos eletrodos no plano transversal também são mostrados25. Uma tensão de RF é aplicada para o par de eletrodos de RF, enquanto todos os outros eletrodos são mantidos no chão de RF; o potencial de ponderomotive26 gerado pela tensão de RF restringe os íons para a direção radial. A tensão de corrente contínua (DC) aplicada aos vários eletrodos DC fora os eléctrodos de RF confinar os íons para a direção longitudinal. Os trilhos internos entre os eletrodos de RF são projetados para ajudar a inclinar os eixos principais do potencial total no plano transversal. A metodologia para a concepção de um conjunto de tensão DC é incluída no Documento complementar. Além disso, mais detalhes para projetar os parâmetros geométricos essenciais de chips de superfície íon-armadilha podem ser encontrados em27,28,29,30,31.
O método de fabricação introduzido na etapa 1 foi concebido tendo em conta os seguintes aspectos. Primeiro, a camada dielétrica entre a eletrodo camada e a camada de solo deve ser suficientemente espessa para evitar a avaria elétrica entre as camadas. Geralmente, a espessura deve ser mais de 10. Durante a deposição da grossa camada dielétrica, a tensão residual dos filmes depositados pode causar curvatura do substrato ou danos aos filmes depositados. Assim, controlando a tensão residual é uma das principais técnicas na fabricação das armadilhas superfície ion. Em segundo lugar, a exposição das superfícies dielétricas para a posição de íon deve ser minimizada porque acusações perdidas podem ser induzidas no material dielétrico por lasers dispersa radiação ultravioleta (UV), que, em vez resulta em uma mudança aleatória de íon, posicionar. A área exposta pode ser reduzida através da concepção de estruturas de eletrodo de saliência. Tem sido relatado que íon armadilhas com eletrodo saliências são resistentes a carga sob condições experimentais típico32de superfície. Terceiro, todos os materiais, incluindo vários filmes depositados, devem ser capazes de resistir a 200 ° C, assar por aproximadamente 2 semanas, e a quantidade de gases de todos os materiais deve ser compatíveI com ambientes UHV. O projeto de microfabricated de fichas a superfície íon-armadilha neste trabalho é baseado no projeto armadilha de33, que foi utilizado com sucesso em vários experimentos32,33,34, 35. nota que este projeto inclui um slot no meio o chip para átomos neutros, que são posteriormente a carregar foto-ionizada para interceptação.
Após a fabricação do chip íon-armadilha, o chip é montado e eletricamente conectado à portadora microplaqueta usando fios de ligação do ouro. O portador do chip for instalado em uma câmara UHV. Um procedimento detalhado para a preparação de um pacote de microplaqueta de armadilha e o projeto da câmara UHV são fornecidos no Documento complementar.
Preparação do equipamento ótico e elétrico, bem como os procedimentos experimentais para íons de armadilhagem, são explicados em detalhes na etapa 2. Os íons presos pelo ponderomotive potencial são geralmente sujeitos a flutuação do campo elétrico ao redor, que continuamente aumenta a energia cinética dos íons. Laser de resfriamento baseado no efeito Doppler pode ser usado para remover o excesso de energia de movimento dos íons. A Figura 2 mostra o diagrama simplificado do nível de energia de um íon de Yb+ 174e um átomo de Yb neutro 174. Arrefecimento Doppler de íons de Yb+ 174requer um laser 369,5-nm e um laser de 935-nm, enquanto foto-ionização de átomos de Yb neutro 174requer um laser 399-nm. Etapas, 2.2 e 2.3 descrevem um método eficiente para alinhar estes lasers para o chip de superfície íon-armadilha e um procedimento para encontrar as condições apropriadas para foto-ionização. Depois que os componentes ópticos e elétricos são preparados, aprisionando os íons é relativamente simples. A sequência experimental para íons de interceptação é apresentada na etapa 2.4.
Este trabalho apresentou um método para íons de captura com armadilhas de íon microfabricated superfície. A construção de um sistema de captura de íon requer experiências em vários campos de pesquisa, mas não anteriormente foi descrita em detalhe. Este papel fornecido os procedimentos detalhados para microfabricating um chip de armadilha, bem como para a construção de uma instalação experimental para armadilha de íons pela primeira vez. Este papel também forneceu os procedimentos detalhados para aprisionando 174íons de Yb+ e experimentando com íons presos.
Um obstáculo enfrentado nos procedimentos microfabrication é a deposição da camada dielétrica, com uma espessura de mais de 10 µm. Durante o processo de deposição da grossa camada dielétrica, tensão residual pode acumular-se, que pode causar danos ao filme dielétrico ou mesmo quebrar a bolacha. Para reduzir a tensão residual, que é geralmente à compressão, uma taxa de deposição lenta deve ser usado40. No nosso caso, um esforço compressivo de 110,4 MPa foi medido com as condições de deposição de 540 sccm de SiH4 taxa de fluxo de gás, 140 W de RF potência e 1,9 Torr de pressão em 5 µm de espessura de película. No entanto, estas condições de processo fornecem apenas uma referência de áspera, desde que estas condições podem variar significativamente para equipamentos diferentes. Para reduzir os efeitos do stress acumulado, 3,5 filmes de2 µm de espessura SiO foram depositados atender em ambos os lados da bolacha no método apresentado. A espessura necessária da camada dielétrica pode ser reduzida se um menor amplitude de tensão de RF e, portanto, uma profundidade de armadilha é escolhida. No entanto, uma profundidade de armadilha facilmente leva para a fuga de presos íons, para a fabricação de camadas dielétricas mais espessas, que podem suportar umas mais altas tensões de RF, é mais desejável.
Existem algumas limitações para o método de fabricação apresentado neste trabalho. Os comprimentos das saliências não são suficientes para esconder completamente os sidewalls dieléctricos de íons de presos, como mostrado na Figura 7f. Além disso, as paredes laterais dos pilares óxido são irregulares, aumentando a área exposta das paredes laterais dielétricas em comparação com o pilar de óxido vertical. Por exemplo, no caso da parede lateral do trilho interno DC perto o slot de carregamento com uma saliência de uniforme de 5 µm, calcula-se que 33% da superfície do dielétrica é exposto para a posição de íon preso da parede lateral do vertical. No caso de borda irregular, mais de 70% da área do sidewall é exposta. Estes resultados não-ideal de fabricação podem induzir campos parasitas adicionais dos dielétricos expostos, mas os efeitos não foram medidos quantitativamente. No entanto, o chip fabricado conforme relatado acima tem sido utilizado com sucesso em íon trapping e experimentos de manipulação qubit. Além disso, o chip de armadilha apresentado neste trabalho tem exposto paredes laterais de silício perto o slot de carregamento. Óxido nativo pode crescer nas superfícies de silício e pode resultar em fluxos adicionais de campos. Portanto, é recomendável para proteger o substrato de silício com uma camada adicional de metal, como em33.
Para interceptar íons de Yb+ 174, as frequências dos lasers devem ser estabilizadas dentro de algumas dezenas de megahertz, e alguns métodos diferentes são discutidos em configurações avançadas,38,41. No entanto, para a configuração simples discutida neste artigo, captura inicial é possível somente com estabilização usando um medidor de comprimento de onda.
Este papel fornecido um protocolo para interceptar íons de Yb+ 174usando um chip de superfície íon-armadilha de microfabricated. Embora o protocolo para aprisionando os íons de Yb+ 171especificamente não é discutido, a instalação experimental descrita neste artigo pode ser usada também para armadilha de íons de 171Yb+ e manipular o estado qubit do 171 Íons de Yb+ para obter o Rabi resultados de oscilação (mostrado na Figura 10). Isso pode ser feito adicionando vários moduladores ópticos para a saída dos lasers e usando uma configuração de microondas, conforme descrito no Documento complementar.
Em conclusão, os métodos experimentais e os resultados apresentados neste artigo podem ser usados para desenvolver várias aplicações de informação quântica usando armadilhas superfície do íon.
The authors have nothing to disclose.
Esta pesquisa foi parcialmente suportada pelo Ministério da ciência, TIC, e planejamento de futuro (MSIP), Coreia, sob o centro de pesquisa tecnologia informação (ITRC) apoiar o programa (IITP-2017-2015-0-00385) e o ICT R & (10043464, desenvolvimento de programa em D quântica tecnologia repetidor para o aplicativo para sistemas de comunicação), supervisionado pelo Instituto de informação & promoção de tecnologia de comunicações (IITP).
photoresist used for 2-μm spin coating | AZ Materials | AZ7220 | Discontinued. Easily replaced by other alternative photoresist product. |
photoresist used for 6-μm spin coating | AZ Materials | AZ4620 | Discontinued. Easily replaced by other alternative photoresist product. |
ceramic chip carrier | NTK | IPKX0F1-8180BA | |
epoxy compound | Epotek | 353ND | |
Plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) system | Oxford Instruments | PlasmaPro System100 | |
Low pressure chemical vapor deposition (LPCVD) system | Centrotherm | E-1200 | |
Furnace | Seltron | SHF-150 | |
Sputter | Muhan Vacuum | MHS-1500 | |
Manual aligner | Karl-Suss | MA-6 | |
Deep Si etcher | Plasma-Therm | SLR-770-10R-B | |
Inductive coupled plasma (ICP) etcher | Oxford Instruments | PlasmaPro System100 Cobra | |
Reactive ion etching (RIE) etcher | Applied Materials | P-5000 | |
Boundary element method (BEM) software | CPO Ltd. | Charged Particle Optics | |
Single crystaline (100) silicon wafer | STC | 4SWP02 | 100 mm / (100) / P-type / SSP / 525±25 μm |
metal tubes | Mcmaster-carr | 89935K69 | 316 Stainless Steel Tubing, 0.042" OD, 0.004" Wall Thickness |
Yb piece | Goodfellow | YB005110 | Ytterbium wire, purity 99.9% |
enriched 171Yb | Oak Ridge National Laboratory | Yb-171 | https://www.isotopes.gov/catalog/product.php?element=Ytterbium |
tantalum foil | The Nilaco Corporation | TI-453401 | 0.25x130x100mm 99.5% |
Kapton-insulated copper wire | Accu-glass | 18AWG (silver plated copper wire kapton insulted) | |
residual gas analyzer (RGA) | SRS | RGA200 | |
turbo pump | Agilent | Twistorr84 FS | |
all-metal valve | KJL | manual SS All-Metal Angle Valves (CF flanged) | |
Leak detector (used as a rough pump) | Varian | PD03 | |
ion gauges | Agilent | UHV-24p | |
ion pump | Agilent | VacIon Plus 20 | |
NEG pump | SAES Getters | CapaciTorr D400 | |
spherical octagon | Kimball Physics | MCF600-SphOct-F2C8 | |
ZIF socket | Tactic Electronics | P/N 100-4680-002A | |
multi-pin feedthroughs | Accu-Glass | 6-100531 | |
25 D-sub gender adapters | Accu-Glass | 104101 | |
Recessed viewport | Culham Centre for Fusion Energy | 100CF 316LN+20.9 Re-Entrant 316 (Custom order) | Disc material: 60cv Fused Silica 4mm THK, TWE Lambda 1/10, 20/10 Scratch-Dig |
Recessed viewport AR coating | LaserOptik | AR355nm/0-6° HT370-650nm/0-36° on UHV (Custom order) | AR coating was performed in the middle of the fabrication of the recessed viewport |
Digital-analog converter | AdLink | PCIe-6216V-GL | |
369.5nm laser | Toptica | TA-SHG Pro | |
369.5nm laser | Moglabs | ECD004 + 370LD10 + DLC102/HC | |
399nm laser | Toptica | DL 100 | |
935nm laser | Toptica | DL 100 | |
369.5nm & 399nm optical fiber | Coherent | NUV-320-K1 | Patch cables are connectorized by Costal Connections. |
935nm optical fiber | GouldFiber Optics | PSK-000626 | 50/50 fiber beam splitter made of Corning HI-780 single mode fiber to combine 935nm and 638nm together. |
Wavelength meter | High Finesse | WSU-2 | |
temporary mirror | Thorlabs | PF10-03-P01 | |
Dichroic mirror | Semrock | FF647-SDi01-25×36 | |
369.5nm & 399nm collimator | Micro Laser Systems | FC5-UV-T/A | |
935nm collimator | Schäfter + Kirchhoff | 60FC-0-M8-10 | |
369.5nm focusing lens | CVI | PLCX-25.4-77.3-UV-355-399 | Focal length: ~163mm @ 369.5nm |
399nm & 935nm focusing lens | CVI | PLCX-25.4-64.4-UV-355-399 | Focal length: ~137mm @ 399nm, ~143mm @ 935nm |
imaging lens | Photon Gear | P/N 15470 | |
369.5nm bandpass filter | Semrock | FF01-370/6-25 | |
399nm bandpass filter | Semrock | FF01-395/11-25 | |
IR filter | Semrock | FF01-650/SP-25 | |
EMCCD camera | Andor Technology | DU-897U-CS0-EXF | |
PMT | Hamamatsu | H10682-210 |