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

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

Экспериментальные методы для захвата ионов с помощью Microfabricated поверхности ловушки иона

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

Этот документ представляет микротехнологий методологии для поверхности ловушки иона, а также подробные экспериментальные процедуры для треппинга иттербия ионов в комнатной температуре окружающей среды.

Abstract

Ионов, захваченных в квадрупольного пол ловушки были считается одним из сильных физических кандидатов для реализации квантовой обработки информации. Это объясняется их длинные последовательности времени и их способность манипулировать и выявления индивидуальных квантовых битов (кубитов). В последние годы microfabricated поверхности ионной ловушки получили больше внимания для крупномасштабных комплексных кубит платформ. Этот документ представляет микротехнологий методологии для ионной ловушки с использованием технологии микро электро механические системы (MEMS), включая метод изготовления для 14 мкм толстый слой диэлектрика и металла свес структур на вершине слой диэлектрика. Кроме того, экспериментальной процедуры для улавливания иттербия (ИБ) ионов изотопа 174 (174ИБ+) с помощью 369.5 Нм, 399 Нм, и описал 935 нм лазеры диода. Эти методологии и процедуры привлечения многих научных и инженерных дисциплин, и этот документ впервые представляет подробные экспериментальные процедуры. Методы, описанные в этом документе может быть легко расширен для треппинга Yb ионов изотопов 171 (171ИБ+) и манипуляции кубитов.

Introduction

Пол ловушки могут ограничить заряженных частиц, в том числе ионы в пустое пространство, используя комбинацию статического электрического поля и различной электрического поля, колеблющиеся в радиочастотных (RF), и может быть измерена квантовых состояний ионов, помещены в ловушку и контроль1,2,3. Такие ловушки иона были первоначально разработаны для точного измерения приложений, включая оптический часы и масс-спектроскопии4,5,6. В последние годы эти ловушки иона также активно рассматривались как физической платформы для реализации обработки информации квантовой приписывается желательных характеристик захваченных ионов, таких как долго согласованности раз, идеально изоляции в ультра-высокой вакуум (СВВ) окружающей среды и возможности отдельных кубит манипуляции7,8,9,10. Начиная с Kielpinski и др. 11 предлагает масштабируемые Ион ловушка архитектуру, которая может использоваться для разработки квантовых компьютеров, различные виды поверхности ловушки, включая соединения ловушки12,13, мульти-зоны треппинга фишки14и 2-d массив ловушки15,16,17, были разработаны с использованием полупроводниковых процесс производные микротехнологий методов18,19,20,21 . Крупномасштабные квантовой информации систем, основанных на поверхности обработки что ловушки были также обсуждены22,23,24.

В этом документе представлены экспериментальные методы для треппинга ионов с помощью microfabricated поверхности ионной ловушки. Говоря более конкретно описаны процедуры для изготовления поверхности ловушки иона и подробные процедуры для треппинга ионов, используя сфабрикованные ловушки. Кроме того в Дополнительном документепредоставляются подробные описания различных практических методов для создания экспериментальной системы и захвата ионов.

Методология для microfabricating поверхности ловушки иона приводится в шаге 1. На рисунке 1 показана упрощенная схема поверхности ловушки иона. Электрических полей, генерируемых напряжения на электроды в поперечной плоскости указываются также25. Напряжение RF применяется к паре электродов РФ, в то время как все другие электроды хранятся в грунте РФ; пондеромоторных потенциальных26 порожденных напряжения РФ ограничивает ионов в радиальном направлении. Напряжение постоянного тока (DC), применяется несколькими электродами DC за пределами РФ электроды ограничить ионов в продольном направлении. Внутренний рельсы между электродами RF предназначены для наклона главных осей общего потенциала в поперечной плоскости. Методология проектирования набор напряжения постоянного тока включено в Дополнительный документ. Кроме того более подробную информацию для разработки необходимых геометрических параметров поверхности Ион ловушка чипы можно найти в27,–28,–29,–30,–31.

Метод изготовления, представленного в шаге 1 был разработан, учитывая следующие аспекты. Во-первых слой диэлектрика между электродом слой и слой земли должно быть достаточно толстым, чтобы предотвратить электрического пробоя между слоями. Как правило толщина должна быть над 10µm. В ходе осаждения толстый слой диэлектрика остаточных напряжений от хранение фильмов может вызвать кланяясь субстрат или ущерб хранение фильмов. Таким образом контроль остаточных напряжений является одним из ключевых методов в изготовление поверхности ловушки иона. Во-вторых воздействия диэлектрической поверхностей в Ион положение должно быть минимальным, потому что бродячих обвинения может быть наведено на диэлектрического материала рассеянного ультрафиолетового (УФ) лазеров, которые в свою очередь, приводит к случайный сдвиг иона позиции. Открытые области может быть уменьшена проектирование структуры вылет электрода. Сообщалось, что что поверхности ловушки иона свесам электрода, устойчивы к зарядки при типичных условиях эксперимента32. В-третьих, все материалы, включая различные хранение фильмов, должны быть в состоянии выдержать 200 ° C, выпечки для около 2 недель, и количество газовыделение из всех материалов должны быть совместимы с средах свв. Дизайн поверхности Ион ловушка микросхемы microfabricated в этой статье основан на конструкции ловушки из33, который успешно использовался в различных экспериментах32,33,34, 35. Обратите внимание, что этот дизайн включает в себя слот в середине чипа для загрузки нейтральных атомов, которые позже фото ионизированный для треппинга.

После изготовления чипа Ион ловушка чип монтируется и электрически подключен к кристаллодержатель золото склеивание проводов. Щеповозы затем устанавливается в камере свв. В Дополнительном документепредоставляются подробные процедуры для подготовки пакета чип ловушку и дизайн камеры свв.

Подготовка оптических и электрического оборудования, а также экспериментальных процедур для треппинга ионов, подробно описываются в шаге 2. Ионов, захваченных пондеромоторных потенциал, как правило, претерпевают окружающего электрического поля, которая непрерывно увеличивает средней кинетической энергией ионов. Лазерного охлаждения на основе доплеровского сдвига может использоваться для удаления избыточной энергии от движения ионов. На рисунке 2 показаны упрощенные диаграммы уровень энергии 174ИБ+ Ион и Yb атома нейтральный 174. Допплерография охлаждения 174ИБ+ ионов требует 369.5-Нм лазер и 935-Нм лазер, в то время как фото ионизации атомов нейтрального 174ИБ требует 399-Нм лазер. Описывается эффективный метод для выравнивания этих лазеров к поверхности Ион ловушка чипа и процедура найти надлежащие условия для Фото ионизационное 2.2 и 2.3. После того, как готовятся оптических и электрических компонентов, захвата ионов является относительно простым. Экспериментальный Последовательность треппинга ионов представлена в шаге 2.4.

Protocol

1. Изготовление чип пакета Ион ловушка микротехнологий поверхности Ион ловушка чипа. Примечание: Условия процесса, описанные в этом разделе предоставляют только грубый ссылку, поскольку оптимальные параметры для каждого процесса может значительно отличаться для различных видов оборудования. Температурные условия даны только для высокотемпературных процессов, таких как окисление и химического осаждения паров. Процесс изготовления осуществляется с использованием 100 мм диаметр кремниевых пластин. Подготовка одной кристаллический кремниевой пластины с толщиной 500-525 мкм и очистить его с помощью Пиранья решение для 15 мин Термически окисляются кремниевой пластины в печи трубы сформировать 0,5 мкм-SiO 2 диэлектрических слоев на обеих сторонах. Примечание: Эти слои можно электрически изолировать кремниевой подложки от приземного слоя. Параметры процесса, используемые в мокрой окисления были: скорость потока 2 O 6500 sccm, N 2 скорость потока 5000 sccm, скорость потока 2 H 7000 sccm, обработку температуре 900 ° C и время 4,5 ч (см. таблицу Материалы для деталей оборудования). Депозит 0.2 мкм-Si 3 N 4 слоев по обе стороны пластины с помощью процесса низкого давления химическое парофазное осаждение (LPCVD) ( рис. 3a) для защиты тепловые окисленные слои во время процесс мокрой травление, показано на рисунке 3 k. Примечание: Параметры процесса, используемые в процессе LPCVD являются: скорость потока 2 SiCl 2 H 30 sccm, NH 3 скорость потока 100 sccm, давление 200 mTorr и температура процесса 785 ° c. Это приводит к скорость осаждения 40 Å / мин (см. Таблицу материалов для деталей оборудования). Депозит 1,5 мкм толстый слой Al/Cu (1%) на пластины с помощью распыления процесс и следующие параметры: скорость потока Ar 40 sccm, давление 2 mTorr, мощность 300 Вт Примечание: Это приводит к скорость осаждения 130 Å / мин (см. Таблицу материалов для деталей оборудования). Примечание: Этот слой обеспечивает заземленной для предотвращения потери РФ через кремниевой подложке и также предоставляет контактные пункты для прокладки проводов склеивание. Алюминиевого сплава с 1% меди используется для предотвращения формирования нитевидные во время процесса выпечки для достижения среде свв. Эта композиция имеет важное значение для предотвращения нитевидные. Спина слой 2 мкм толщиной позитивного фоторезиста на пластины и lithographically картина его определить РФ, экранирование плоскости и колодки проволока прошивные. Примечание: Параметры процесса для 2 мкм толщиной фоторезиста являются: скорость 5000 оборотов отжима, спина время 40 s, предварительно испечь температуры 95 ° c, время предварительной запекать 90 s, воздействия энергии 144 МДж/см 2, развивать время 60 s, после выпечки температура 110 ° C и после выпечки время 5 мин (см. Таблицу материалов для химической и оборудования). Шаблон 1,5 мкм толщиной Al/Cu (1%) слоя с помощью обычного процесса сухого травления (реактивного ионного травления (РИ) или индуктивно спаренной плазмы (ICP) травления), с узором в фоторезиста шаг 1.1.5 как маска травления. Примечание: Гравер МСП должно использоваться с указанными ниже параметрами процесса: скорость потока BCl 3 20 sccm, скорость потока 2 Cl 30 sccm, давление 5 mTorr, а мощность 750 Вт. Это приводит в etch скоростью 3600 Å/мин (см. Таблицу материалов для деталей оборудования). Удаления фоторезиста, используемые в шаге 1.1.6 usung O 2 плазмы озоления процесса ( рис. 3b). Примечание: Параметры процесса для озоления процесса являются: скорость потока 2 O 150 sccm, давление 0,75 mTorr, мощность 300 Вт (см. Таблицу материалов для деталей оборудования). Депозит 14 мкм толстый слой SiO 2 по обе стороны пластины с помощью плазмы расширение химическое парофазное осаждение (PECVD) процессов ( рис. 3 c). Примечание: Параметры процесса, используемые в процессе PECVD являются: скорость потока SiH 4 540 sccm, давление 1.9 Торр, температура процесса 350 ° c и мощность 750 Вт. Это приводит к скорость осаждения 3000 Å / мин (см. Таблицу материалов для деталей оборудования). После сдачи на хранение 14 мкм толщиной SiO 2 слоя является одним из самых сложных процессов, детали описаны далее в ходе обсуждения. Спина слоем 6 мкм толщиной позитивного фоторезиста на передней пластины и lithographically картина его определить через отверстия соединиться с электрически DC электродов колодки проволока прошивные. Примечание: Параметры процесса для 6 мкм толщиной фоторезиста являются: скорость 5000 оборотов отжима, спина время 40 s, предварительно испечь температуры 95 ° c, предварительно испечь время 5 мин, воздействия энергии 900 МДж/см 2, развивать время 10 мин, после выпекать при температуре 110 ° C и после выпечки время 5 мин (см. Таблицу материалов для химической и оборудования). Образец 14 мкм толщиной SiO 2 слоя на передней пластины с помощью обычных РИЕ, с фоторезиста, узорные в шаге 1.1.9 как маска травления. Примечание: Параметры процесса для травления SiO 2 являются: скорость потока 3 CHF 25 sccm, CF 4 скорость потока 5 sccm, скорость потока Ar 50 sccm, давление 130 mTorr, мощность 600 Вт. Это приводит в etch скоростью 3600 Å/мин (см. Таблицу материалов для деталей оборудования). Удаления фоторезиста, используемые на шаге 1.1.10 с O 2 плазмы озоления процесса. Окунуть вафля в подогревом растворителя или sonicate перед озоления ( рис. 3d). Спина 6 мкм толщиной позитивный фоторезист слой на обратной стороне пластины и lithographically картина его сформировать маску оксид жесткий для глубоких реактивного ионного травления (DRIE) кремниевой подложке ( Рисунок 3j). Рисунок 14 мкм толщиной SiO 2 слоя на задней пластины с помощью обычных РИЕ, с фоторезиста узором на шаге 1.1.12 как маска травления. Удаления фоторезиста, используемые на шаге 1.1.13 с процессом озоления плазмы 2 O ( Рисунок 3e). Депозит 1,5 мкм толщиной Al/Cu (1%) слой, который используется в качестве электрода с помощью распыления процесса. Депозит 1 мкм толстый слой SiO 2 на пластины с помощью процесса PECVD ( Рисунок 3f). Спина слой 2 мкм толщиной позитивного фоторезиста на пластины и lithographically картина его определить электродов. Шаблон 1,5 мкм толщиной Al/Cu (1%) слоя и 1 мкм толстый SiO 2 слоя с помощью обычных ICP, процесс, с фоторезиста травления узором на шаге 1.1.17 как маска травления. Удаления фоторезиста, используемые на шаге 1.1.18 с процессом озоления плазмы 2 O ( рис. 3 g). Спина слоем 6 мкм толщиной позитивного фоторезиста на пластины и lithographically картина его определить 14 мкм толщиной оксид столба моделей. Рисунок 14 мкм толщиной SiO 2 слоя с помощью обычных РИЕ, с фоторезиста узором на шаге 1.1.20 как маска травления. Удаления фоторезиста, используемые на шаге 1.1.21 с процессом озоления плазмы 2 O ( рис. 3 h). Спина слоем 6 мкм толщиной позитивного фоторезиста на пластины и lithographically картина его подвергать слот загрузки. Узор SiO 2 и Si 3 N 4 слоев с помощью обычных RIE процесса, с фоторезиста, узорные в шаге 1.1.23 как маска травления. Удаления фоторезиста, используемые на шаге 1.1.24 с процессом озоления плазмы 2 O ( Рисунок 3i). Узор подложки кремния от задней пластины с помощью процесса DRIE ( Рисунок 3j). Примечание: Глубина etch следует измерять неоднократно для предотвращения проникновения кремниевой подложке с тыльной стороны. Цель etch глубина составляет примерно 450-470 мкм. Процесс DRIE была выполнена с итераций C 4 F 8 осаждения для 5 s, C 4 F 8 etch на 3 сек и Si etch для 5 s. В C 4 F 8 осаждения шаге скорости потока C 4 F 8, SF 6 и Ar были соответственно 100, 0.5 и 30 sccm. Обратите внимание, что Ar используется для ускорения темпов etch C 4 F 8 и Si, но оно применяется также в C 4 F 8 осаждения шаг с же скорость потока, для стабилизации состояния давления. C 4 F 8 etch шаг, скорости потока были изменены на 0,5, 50 и 30 sccm, соответственно. В Си etch шаг, расхода 0.5, 100 и 30 sccm, соответственно, были использованы. Мощность и давление в камере были установлены 825 Вт и 23 mTorr на всех этапах. Для этих условий, etch Си составлял 1 мкм, для каждого цикла (см. Таблицу материалов для деталей оборудования). Кости пластины на 10 мм x 10 мм куски с помощью Ножевая машина. Отсоединение ножевую ленты от умереть путем окунать его в ацетоне на 5 мин чистить умереть путем окунать его в управлении деонизированной воды (DI), за 10 мин и изопропиловый спирт (IPA) 2 мин сушить на 2 мин на 110 ° C. Etch боковинами оксид столбов для изготовления электрода навеса структур с использованием мокрого оксид, травления процесс для 60 s в буферизации оксид etchant (BOE), который является (NH 4 F:HF = 6:1) ( рис. 3 k). Очистить умереть путем окунать его в проточной воде ди за 10 мин и IPA на 2 мин сушить на 2 мин на 110 ° C. Проникают щели образный Ион загрузки отверстие от передней части матрицы с помощью процесса DRIE. Примечание: Процесс изготовления микросхем иона ловушка полная на этот шаг ( рис. 3 l). 2. Подготовка оптических и электрического оборудования и захвата ионов Примечание: чип сфабрикованные ловушку упакован с щеповозы и кристаллодержатель установлен в камере свв. В то время как в Дополнительном документе предусмотрены процедуры для изготовления пакет ловушка чип и для подготовки зале свв, в этом разделе описываются подробности для настройки оптических и электрического оборудования и для треппинга ионов. Подготовка электрических соединений. Подключение многоканальных цифро аналоговый преобразователь (DAC) для проходной в задней части камеры свв применять напряжения к соответствующим электродам управления DC. Примечание: На рисунке 4 приведен пример напряжения, применяется к обломоку ловушку. Подробный метод для разработки такой набор напряжения постоянного тока приводится в Дополнительном документе. Подключить источник тока для закрепления печь в проходной на спине. Добавить делитель мощности между генератором РФ и винтовой резонатор. Подключите сигнал от ВЧ генератора к порт вывода делитель мощности. Кроме того, подключите входной порт делитель мощности к входной порт винтовой резонатор. Примечание: Эта конфигурация позволяет для мониторинга отраженной мощности от винтовой резонатор 36. Отрегулировать положение крышку винтовой резонатор и сканировать частоты генератора для поиска частоты, в котором отражение это как минимум. Повторите этот шаг, пока не будет найден глобальный минимум. Примечание: Частота глобальной минимум-резонансной частоты. Использование анализатора спектра с генератором отслеживания вариант или измерения параметра S 11 с сетевой анализатор может упростить процесс сканирования для минимальное отражение. Если любой из электрических соединений с источником напряжения DAC или источник тока для духовки меняется, меняется сопротивление RF проходной, и резонансной частоты будет смещаться. Выключить генератор РФ. Предупреждение: При винтовой резонатор является применение высоковольтных РФ в ловушку, не изменяются любые электрические соединения, которые могут вызвать изменения сопротивления. Внезапный импеданс изменения можно легко записать склеивание провода чипа. Выравнивание изображений системы и 369.5 Нм лазер. Collimate 369.5-Нм лазер из оптического волокна с помощью коллиматора и стараемся соответствовать высота коллиматор от поверхности таблицы оптики на высоту чипа; сделать луч распространения горизонтально. Направление распространения коллимированном пучке 369.5-Нм сторону ловушки чип, путем либо левый или правый видовой экран свв камеры, как показано на рисунке 5. Грубо выровнять, что лазерный луч распространяется параллельно поверхности ловушки чип и почти касается поверхности чипа. Подключить фокусирующей линзы для 369.5-Нм лазер на этапе перевода. Место фокусирующей линзы вдоль направления распространения, чтобы лазер будет сосредоточено вблизи треппинга позиции над поверхностью чипа и сфокусированного лазерного распространяется вдоль поверхности ловушки чип. Отрегулируйте положение фокусировки объектива с этапа перевода; положение лазерного луча фокус будет следовать за движением фокусирующей линзы. Место объектив изображений высокой числовая апертура монтируется на этапе перевода перед камерой свв, учитывая расстояние от поверхности чипа ( рис. 5). Выравнивание луч 369.5-нм с поверхностью ловушки чип, так что есть некоторое количество лазерного рассеяния от поверхности чипа. Примечание: Рассеянный свет, собранные тепловизионных объективов лягут слабое изображение вокруг плоскости изображения объектива. Этот образ можно вообще наблюдать, даже с флуоресцентных бумагу при достаточно темные области. Отрегулировать положение изображения объектива до тех пор, пока изображение на бумаге флуоресцентного становится острым. Место электрон умножить взимается сочетании устройство (EMCCD) смонтированы на этапе перевода, учитывая расположение изображений плоскости объектива, найденных на предыдущем шаге. Подключить инфракрасный (ИК) фильтр перед EMCCD блокировать излучения черного тела из духовки, когда печь нагревается для испарения. Горы 369.5-Нм полосовой фильтр перед EMCCD, чтобы блокировать свет фон. Сравнить изображение EMCCD с макетом электродов. Корректировка позиции EMCCD и изображения объектива до тех пор, пока электроды можно увидеть с EMCCD. Выравнивание изображения объектива и EMCCD до тех пор, пока изображение становится резким. Определить какие электроды указаны в EMCCD и выровняйте EMCCD соответствует свой центр в ожидаемой треппинга место. Выравнивание луч 369.5-Нм вертикально так, что он будет проходить через позиции треппинга. Найти расстояние между центром луча и поверхности ловушки, переместите луч к поверхности ловушки рассеяние пучка максимизируется. Примечание: После шага 2.2.12, можно предположить, что центр луча находится прямо на поверхности чипа. От численного моделирования потенциальные ловушки 29, найти ожидаемое высоту позиции треппинга иона от поверхности чипа. Переместите 369.5 луч Нм от поверхности чипа, ожидаемых высоту с помощью микрометра этап вращения объектива. Перемещение изображения объектива и EMCCD обратно на то же расстояние. Записать показания микрометра тепловизионных объективов и EMCCD. Выравнивание 399 Нм и 935 нм лазеры и test. печь Заменить 369.5 Нм полосовой фильтр с 399 Нм полосовой фильтр. Численное моделирование тепловизионных объективов найти разницу между фокусным 399-Нм света и света 369.5-Нм, результате хроматические аберрации. Отрегулируйте продольной позиции тепловизионных объективов и EMCCD сделать 399-Нм, сосредоточены на EMCCD. Collimate 399 и 935 Нм балки, доставлен из оптических волокон, с соответствующими коллиматоры и отрегулируйте высоту коллиматоры волокна в соответствии с высотой чип, чтобы сделать оба лучи распространяются горизонтально. Выравнивание 399 Нм луч к поверхности ловушки чип через другого видового экрана, таким образом, что 399 Нм лазер распространяется в противоположном направлении от 369.5 Нм лазер. Попробуйте сделать коллимированных 399 Нм лазер совпадения с сфокусированного лазерного 369.5 Нм. Объединить в коллимированном пучке 935 Нм с коллимированных 399 Нм лазер с помощью дихроичное зеркало и выровнять 935 луч Нм, что 935 Нм лазер распространяет совместно с 399-Нм лазер. Чтобы проверить, насколько хорошо две балки перекрываются друг с другом, отвлечь эти две балки с зеркалом временной прежде, чем они камеру и измерения местоположения балки вдоль луча с помощью профилировщика луч или отверстие. Если недостаточно места для размещения временных зеркало между камерой и фокусирующей линзы, рассмотреть вопрос о создании оптические установки на небольшой оптический макет; степень совпадения могут быть проверены на отдельном месте. Подключить фокусирующей линзы для обоих лазеров на стадии дополнительного перевода и задайте фокусирующей линзы между дихроичное зеркало и зеркало временных. Оценить расстояние от временного зеркало для треппинга позиции и настройте положение фокусировки объектива, таким образом, что 399 Нм лазер фокусируется на положении треппинга ( Рисунок 6b). Проверьте, совпадает ли фокус 399 Нм лазер с фокусом 935 Нм лазер. Если два очагов не перекрываются, мелко выровнять 935 Нм лазер. Удалить временные зеркало в 399 Нм лазер пути. Проверка трассировки 399 Нм лазер на поверхности чипа, с помощью EMCCD. Если никаких следов 399 Нм лазерного луча может наблюдаться, переместите 399 Нм луча вокруг чипа. Кроме того, слегка отрегулируйте расстояние между камерой и тепловизионных объективов до тех пор, пока изображение поверхности чипа становится резким. Выравнивание след 399 Нм пучка на поверхности чипа таким образом, что он будет проходить ожидаемого треппинга позиции. Подобно 369.5 пучка выравнивание Нм, переместить 399-Нм луч к поверхности чипа до интенсивности рассеянного света становится максимальным. Перемещение 399 Нм лазерный луч от поверхности чипа на той же высоте, используемые на шаге с помощью микрометра 2.2.13. Перемещение изображения объектива и EMCCD обратно на то же расстояние. Поместить временные зеркало, используемые на шаге 2.3.4 обратно. Повторите шаг 2.3.6 и затем удалите временный зеркало. Примечание: После шага 2.3.10, 935 Нм лазер можно предположить, что проходя через треппинга позиции над поверхностью чипа. Установить волны 399 Нм лазер недалеко от 1 S 0-1 P 1 переход 174 Yb (751,526 ГГц). Включите тока для духового шкафа заполнены с естественным ИБ и постепенно увеличить ток. Примечание: В целом, испарения не обязательно начинаются же ток, обнаруживаемых анализатором остаточных газов (ПГА), как описано в этом Дополнительном документе, поэтому попробуйте различные текущие значения до тех пор, пока наблюдается испарения. Только когда нейтральных атомов Yb начинают испаряться и частота лазер резонансных с 1 S 0-1 P 1 переход одного из изотопов Yb, нейтральных Yb, атомы начнут осваивать лазерный свет и повторно излучают его таким образом, что флуоресценции от Yb можно наблюдать с EMCCD. Как правило резонансных частот, измеряется метр длины волны смещены от номинальных значений, начиная от десятков до сотен МГц. Таким образом, для каждого текущего параметра, сканирование лазерной частоты диапазона диапазон 1 ГГц и шаг меньше чем 50 МГц рекомендуется. После наблюдается резонансная флюоресценция из естественно-происходя печи, уменьшить ток до тех пор, пока невозможно наблюдать флуоресценции. Сканирование лазерного вокруг первой резонансной частоты и запишите количество флуоресцирования на каждом резонанс. Сравните распределение силы флуоресценции и расстояние между резонансов с использованием значений из 37. Выявление резонансных частот для различных изотопов. Примечание: Резонанс 174 Yb была измерена быть около 751.52646(2) ТГц. Однако, это значение слегка сдвигается на эффект Доплера, и измеренное значение может варьироваться в зависимости от точности волны метр. Захвата ионов. Заменить 399 Нм полосовой фильтр полосовой фильтр 369.5 Нм и переместить тепловизионных объективов и EMCCD обратно в позицию, полученного на шаге 2.2.13 так что флуоресценции 369.5-Нм, испускаемых захваченных ионов может отражаться на EMCCD. Проверьте выравнивание всех лазеров еще один раз, повторив шаг 2.2.12 и используя УФ и ИК просмотра карт для визуального осмотра балки перекрытия. Убедитесь, что напряжение DACре установлены правильно. Включите генератор РФ в условиях очень низкой мощности и постепенно увеличивать мощность. Кроме того, убедитесь, что отраженной мощности от винтовой резонатор все еще как минимум путем сканирования RF частоты вокруг резонанс. Предупреждение: Убедитесь в том, что усиливается напряжение на ловушку чип не превышает напряжение пробоя. В атмосферном давлении, диэлектрической прочности SiO 2 фильма как известно около 10 7 V/см, но это значение не может предполагаться в среде свв. Хотя точный пробивного напряжения в среде свв явно не измеряется, боковой зазор 8 мкм ловушки чип в 10 -11-Торр вакуум выдерживает 240 V амплитуды ВЧ напряжения в экспериментальной установки. Установите частоту 399-Нм лазер на резонансную частоту 174 Yb, идентифицированную на шаге 2.3.13. Установите частоту 935-Нм лазер для изотопов ИБ + 174. Примечание: С метр длины волны, 320.57199(1) ТГц могут быть использованы, но из-за ограниченной точности метров длины волны, может быть вариант до десятков МГц. Установить частоту 369.5-Нм лазер на значение ~ 100-200 МГц, менее чем в резонансная частота настолько, что даже, если есть некоторое количество неточность с метр длины волны, частота будет по-прежнему красный перестроен. Примечание: Здесь, 200-МГц расстройка вычитается из ожидаемых резонанс, когда ожидаемый резонансной частоты 174 ИБ + вокруг 811.29152(1) ТГц. Включите источник тока для духовки и увеличить ток медленно пока достигнет значения, найденных на шаге 2.3.12. Подождите несколько минут. Если не ионной ловушке, увеличить ток на ~0.1-0.2 A и ждете снова. Если до сих пор не перехватывается Ион, проверить, является ли отражение РФ еще как минимум, а затем постепенно увеличивать мощность ВЧ генератора. Предупреждение: Убедитесь, что усиливается напряжение на ловушку чип не превышает ожидаемый пробивного напряжения. Кратко блокировать 935 Нм лазер и проверьте, есть ли каких-либо изменений в изображении. Примечание: Если EMCCD параметры (включая электронно умножения (EM) прибыль, время экспозиции и контрастности изображения) не в необходимом диапазоне, даже если ионной ловушке, это не легко сказать ли изменение интенсивности вблизи региона треппинга вызвано реальной захваченных Ион или в изменении в рассеяния 369.5 Нм лазер. Из-за ИК-фильтр EMCCD камеры не показывают каких-либо изменений в 935 Нм лазер, поэтому блокирование 935 Нм лазер не делать каких-либо изменений к изображению, когда есть не захваченных Ион. Однако, если ионной ловушке, скорость рассеяния 369.5 Нм лазер значительно падает без 935 Нм лазер. Таким образом, изменение EMCCD изображения, вызванные блокирование 935 Нм лазер является хорошим показателем успеха ионов треппинг. Предупреждение: Если 935 Нм лазер заблокирован слишком долго, захваченных Ион получает нагревается и может избежать ловушки. Выключить духовку после ионы оказались в ловушке. Попробуйте найти резонанс 369.5 Нм лазер, постепенно увеличивая частоту. Примечание: Как частота становится ближе к резонанс, рассеяние ставка будет увеличиваться, но как только пересек резонанс, 369.5 Нм лазер начинает Отопление Ион, вместо того чтобы охлаждения, который в свою очередь причины изображение захваченных иона к нестабильной. Найдя резонансной частоты 369.5 Нм лазер, сократить частоту лазера на 10 МГц от резонанс. Сканирования частоты 935 Нм лазер до скорость рассеяния 369.5 получает максимально Нм. Настроить расположения изображения объектива и камеры EMCCD до тех пор, пока изображение Иона обостряет.

Representative Results

На рисунке 7 показана сканирования электрона микроскопии (SEM) сфабрикованы Ион ловушка чипа. Электроды РФ, внутренний DC электродов, внешний DC электродов и слот загрузки успешно были сфабрикованы. Профиль боковины диэлектрической столба стал неровные потому что PECVD оксид был сдан на хранение в несколько этапов. Несколько шагов осаждения были использованы для сведения к минимуму воздействия остаточных напряжений от толстых оксидные пленки. Это описано далее в ходе обсуждения. Рисунок 8 показывает изображение EMCCD ионов пяти 174ИБ+ в ловушку с помощью чипа microfabricated Ион ловушки. Ловушке ионов может длиться более чем на 24 ч с непрерывный Допплер охлаждения. Количество захваченных ионов может быть отрегулирован между 1 и 20 изменения прикладной набора напряжения постоянного тока. Эта экспериментальная установка очень надежные и достоверные и в настоящее время действует для 50 месяцев. На рисунке 9 показана челночные захваченных ионов в осевом направлении. Ион позиции в Рисунок 9b смещается от этого в рис. 9a путем регулировки положения потенциальных минимум DC, изменив DC напряжения. На рисунке 10 показано предварительные результаты Раби колебаний экспериментов с ионом ИБ+ 171. Для получения результатов, были использованы дополнительные настройки, описанные в Дополнительном документе . Результаты были включены, чтобы показать потенциальное применение экспериментальной установки описано в этом документе. Рисунок 1: схема поверхности ловушки иона. () красные точки представляют захваченных ионов. Коричневый и желтый электроды указывают РФ и DC электродов, соответственно. Серые стрелки показывают направление электрического поля на этапе положительные ВЧ напряжения. Обратите внимание, что схема не обращается к шкале. (b) вертикальные размеры структуре электрода. (c) боковые габаритные размеры структуры электрода. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры. Рисунок 2: Упрощенные уровень энергии диаграммы 174ИБ+ Ион и Yb атома нейтральный 174. () при 369.5 Нм лазер перестроен в красную сторону (Нижняя частота) резонанса, Велоспорт переход между 2P1/2 и 2S1/2 уменьшает кинетическая энергия иона силу Доплера эффект. Иногда небольшой, но конечной ветвления соотношение делает распада электронов от 2P1/2 до 2D3/2, и 935-Нм лазер требуется вернуться обратно в основной велосипедного перехода электрона. Электрон также может распадаться на 2F7/2 государства раз в час, в среднем и 638 Нм лазер может добывать его из состояния 2F7/2 , но это не является необходимым для простой системы38. Значения в кетском нотации представляют прогнозы общего угловых импульсов J вдоль оси квантования mJ. (b) чтобы ионизировать нейтральных атомов, испаряется из духовки, процесс поглощения двух ФОТОН был используется39. 399 Нм лазер возбужденного электрона в 1P1 состояние, и 369.5 Фотон Нм для доплеровского охлаждения было больше энергии, чем необходимо удалить возбужденный электрон от Ион. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры. Рисунок 3: поток процесса изготовления поверхности ловушки иона. () тепловой окисления расти 5000 Е толщиной SiO2 слоя и LPCVD Si 2000 Е толщиной слоя3N4 . (b) осаждения и ICP травления 1,5 мкм толщиной слоя распыленных Аль. (c) осаждения 14 мкм толщиной SiO2 слоя по обе стороны пластины с помощью PECVD процессов. (d) кучность 14 мкм толщиной SiO2 слоя на хранение на передней пластины с помощью процесса RIE (e) патронирования 14 мкм толщиной SiO2 слоя на хранение на задней пластины с помощью процесса ри. (f) осаждения 1,5 мкм толщиной распыленных Аль слой и слой 1 мкм толстый PECVD SiO2 . (g) патронирования 1,5 мкм толщиной Аль слоя с помощью ICP процесса и 1 мкм толстый SiO2 слоя с помощью RIE процесса. (h) патронирования 14 мкм толщиной SiO2 слоя на хранение на передней пластины с помощью процесса ри. (я) патронирования 5000 Е-толстый SiO2 слоя и 2000 Е-толстый Si3N4 слоя с помощью RIE процесса. (j) DRIE кремниевой подложке 450 мкм от задней пластины. (k) мокрый травление SiO2 слоя на Аль электроды и боковые стенки диэлектрической столбов. (l) проникновение кремниевой подложке с фронта через DRIE процесса. Обратите внимание, что схема не обращается к шкале. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры. Рисунок 4: пример напряжения постоянного тока, используемую в ловушку ионов. Напряжения, применяемых к внутренним рельсам может компенсировать асимметричного электрического поля в горизонтальном направлении наклона главных осей общего потенциала в поперечной плоскости. Осевой треппинг частота генерируемых напряжения набор был 550 кГц. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры. Ether.Within страницы = «1» > Рисунок 5: схема установки оптических. Три диодные лазеры выравниваются перекрываются с позиции треппинга. Утопленные видового экрана камеры свв позволяет изображения объектив, чтобы быть помещены как можно ближе к обломоку поверхности. Флип зеркало, помещенный между тепловизионных объективов и EMCCD позволяет для выборочного мониторинга флуоресценции Ион, с использованием либо фотонов умножения трубки (ПЛТ) или EMCCD. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры. Рисунок 6: изображения сконструированный оптические установки. () A катушка обматывается вокруг передней видового экрана камеры для создания магнитного поля, которое может нарушить вырожденный уровни энергии ионов иттербия. (b) оптические установки для руля 399 Нм и 935 Нм балки. Красные и зеленые линии указывают путь луча 935 Нм и 399 нм лазеры, соответственно. (c) конфигурации изображений системы, включая флип зеркало, тепловизионных объективов, EMCCD и ФЭУ Путь флуоресценции, выбрасываемых из захваченных ионов может определяться флип зеркало. Зеленые и белые стрелки указывают путь флуоресценции при наблюдении за EMCCD и ПМТ, соответственно. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры. Рисунок 7: результаты изготовление поверхности ловушки иона. () обзор структуры чипа. (b) увеличенное представление макета чип, который показывает несколько внешних электродов DC. (c) увеличенное представление макета чип, который показывает слот загрузки. (d) поперечного сечения вид треппинга региона перед прорезывать слот загрузки. (e) поперечного сечения вид треппинга региона после проникающего слот загрузки. (f) A увеличенное вид поперечного сечения оксид столба. Оксид Столпы неровные стены, и длины навеса не достаточны, который приписывается уровень неоднородной etch SiO2 на стыке отдельно осаждаются 3,5 мкм толщиной SiO2 слоя. вид сверху (g) A площадку проволока прошивные DC электрода. (h) A вид поперечного сечения из через. Наклонные профили оксид столбов позволяют для подключения электрода DC и приземного слоя во время осаждения Аль слоя на боковине оксид столба вместо заполнения через отверстия с гальванопокрытий процесс. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры. Рисунок 8: EMCCD изображения пяти 174ИБ+ ионов в ловушке на чипе Ион ловушка microfabricated. Изображение поверхности ловушки электрода структуры было принято отдельно, и образы захваченных иона и электродов были объединены для ясности. Интенсивность легенда применяется только к пикселей в поле. Толстая стрелка показывает путь луча лазера 369.5 Нм и тонкие стрелки представляют компоненты x и z импульс фотона. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры. Рисунок 9: Корректировка осевой потенциал захваченных ионов в линейной цепи. () семь ионов в центре ловушку. (b) ионы были трансфера десятков микрометров. строка (c) Ион, сжал в осевом направлении. Этот показатель лучше всего рассматривать как фильм, который загружается отдельно. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры. Рисунок 10: Экспериментальные результаты Раби колебаний между | 0 и | 1 государств. | 0 определяется как 2S1/2| F = 0, м,F= 0 состояние ИБ+ Ион 171, и | 1 определяется как 2S1/2| F = 1, mF= 0 состояние. Раби колебаний индуцируется микроволновой 12.6428-ГГц. Блоха сферах выше сюжет показать соответствующие квантовых состояний в разное время. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры. Дополнительный документ: Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот документ.

Discussion

Этот документ представлен метод для захвата ионов с помощью microfabricated поверхности ионной ловушки. Строительство системы улавливания Ион требует опыта в различных областях исследований, но ранее не были описаны в деталях. Этот документ предоставляет подробные процедуры для microfabricating ловушку чип, а также для построения экспериментальной установки для улавливания ионов в первый раз. Этот документ также предоставляет подробные процедуры для захвата 174ИБ+ ионов и экспериментировать с захваченных ионов.

Столкнувшись в процедурах микротехнологий существенным препятствием является осаждение диэлектрический слой, толщиной не более 10 мкм. Во время процесса осаждения толстый слой диэлектрика остаточных напряжений могут накапливаться, который может привести к повреждению диэлектрической пленки или даже сломать пластины. Для снижения остаточных напряжений, который как правило при сжатии, медленно наплавки следует использовать40. В нашем случае напряжений 110.4 MPa была измерена с условиями осаждения 540 sccm SiH4 скорости газового потока, 140 W ВЧ мощность и 1.9 Торр давления в 5 микрон толщины пленки. Однако эти условия процесса предоставляют только грубый ссылку, так как эти условия могут сильно различаться для различных видов оборудования. Для того, чтобы уменьшить последствия накопленный стресс, 3.5 µm толщиной SiO2 фильмы были сданы на хранение попеременно с обеих сторон вафли в методе представленных. Требуемая толщина слоя диэлектрика можно сократить, если меньше Амплитуда напряжения РФ и следовательно глубины резкости ловушки выбирается. Однако глубины резкости ловушку легко приводит к бежать захваченных ионов, поэтому изготовление толще диэлектрических слоев, которые могут выдерживать более высокое напряжение RF, более желательным.

Существуют некоторые ограничения на метод изготовления, представленных в настоящем документе. Свесы колея не достаточно, чтобы полностью скрыть диэлектрической боковинами из захваченных ионов, как показано на рисунке 7f. Кроме того боковые стенки колонны оксида неровные, увеличивая подвергаются области диэлектрической боковин, по сравнению с вертикальной оксид столба. К примеру боковины внутренних железнодорожных DC возле слот загрузки с единой выступ 5 мкм, он рассчитывается что 33% поверхности диэлектрической подвергается захваченных Ион позицию вертикальной боковины. В случае неровные края подвергается более чем 70% от площади боковины. Эти результаты неидеальной изготовление может вызвать дополнительных полей рассеяния от подвергаются диэлектриков, но последствия не были оценены количественно. Тем не менее сфабрикованные чип как сообщалось выше успешно используется в ионных треппинга и кубит манипуляции экспериментов. Кроме того чип ловушку, представленных в настоящем документе выявил кремния боковые возле слот загрузки. Родной оксида может расти на поверхности кремния и может привести к дополнительным полей рассеяния. Поэтому рекомендуется для защиты кремниевой подложке с дополнительным слоем металла, как и33.

В ловушку 174ИБ+ ионов, частоты лазеров должны быть стабилизированы в течение нескольких десятков МГц, и несколько различных методов, обсуждаются в продвинутых установок38,41. Однако для простой установки, обсуждаемые в этом документе, первоначальный треппинг возможна только с стабилизации, с помощью измерителя длины волны.

Этот документ предоставляет протокол в ловушку 174ИБ+ ионов с помощью чипа поверхности Ион ловушка microfabricated. Хотя протокол для улавливания 171ИБ+ ионов конкретно не обсуждали, экспериментальной установки, описанных в данном документе могут использоваться для улавливания 171ИБ+ ионов и манипулировать кубит состояние 171 Ионов ИБ+ для получения Раби колебаний результатов (показано на рис. 10). Это может быть сделано путем добавления нескольких оптических транспарантов на выходе лазеров и с помощью микроволновой установки, как описано в Дополнительном документе.

В заключение экспериментальные методы и результаты, представленные в настоящем документе может использоваться для разработки различных квантовой информации приложений с использованием поверхности ловушки иона.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Это исследование было частично поддерживается Министерством науки, ИКТ, и будущего планирования (MSIP), Корея, под информационных технологий исследовательский центр (ITRC) поддержки программы (ИППИ-2017-2015-0-00385) и ИКТ R & D программы (10043464, развитие квантовой репитер технологии для применения систем связи), руководил институтом для информации & коммуникационных технологий продвижения (ИППИ).

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