Name: experimental methods for trapping ions using microfabricated surface ion traps
Uploaded: 2017-08-17T14:00:00
Duration: 11 min 45 s
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Questa ricerca è stato parzialmente sostenuta da Ministero della scienza, ICT, e futuro pianificazione (MSIP), Corea del sud, sotto informazioni Technology Research Center (ITRC) supporto programma (IITP-2017-2015-0-00385) e l'ICT R &#38; D programma (10043464, sviluppo di tecnologia di ripetitore di Quantum per l'applicazione di sistemi di comunicazione), sotto la supervisione dell'Istituto per informazioni &#38; promozione di tecnologia di comunicazioni (IITP).

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N., Maunz, P., Monroe, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Manipulation+and+detection+of+a+trapped+Yb++hyperfine+qubit.">Manipulation and detection of a trapped Yb+ hyperfine qubit.</a> Phys Rev A. 76 (5), 052314 (2007).</li><li>Sansonetti, J. E., Martin, W. C., Young, S. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Handbook of Basic Atomic Spectroscopic Data. , (2013).</li><li>Kern, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Thin film processes II. , (2012).</li><li>Streed, E. W., Weinhold, T. 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Gli autori non hanno nulla a rivelare.

Questa carta ha presentato un metodo per gli ioni di cattura mediante trappole ioniche superficie microfabbricati. La costruzione di un sistema di intercettazione degli ioni richiede esperienze in vari campi di ricerca, ma precedentemente non è stata descritta in dettaglio. Questa carta fornite procedure dettagliate per microfabricating un chip di trappola anche per quanto riguarda la costruzione di un apparato sperimentale per intrappolare gli ioni per la prima volta. Questa carta inoltre fornite procedure dettagliate per intrappolare gli ioni 174Yb+ e la sperimentazione con gli ioni intrappolati.
Un ostacolo significativo affrontato nelle procedure di microfabbricazione è la deposizione dello strato dielettrico, con uno spessore di oltre 10 µm. Durante il processo di deposizione dello strato dielettrico spesso, tensioni residue possono accumularsi, che può causare danni alla pellicola dielettrica o persino rompere il wafer. Per ridurre la tensione residua, che è generalmente alla compressione, un tasso di deposizione lento dovrebbe essere usato40. Nel nostro caso, una sollecitazione di compressione di 110,4 MPa è stata misurata con le condizioni di deposizione di 540 sccm di portata SiH4 gas, 140 W RF di potenza e 1,9 Torr di pressione allo spessore del film da 5 µm. Tuttavia, queste condizioni di processo forniscono solo un riferimento approssimativo, poiché queste condizioni possono variare significativamente per attrezzature diverse. Al fine di ridurre gli effetti dello stress accumulato, 3,5 µm di spessore SiO2 film erano depositati alternativamente su entrambi i lati del wafer nel metodo presentato. Lo spessore dello strato dielettrico può essere ridotta se una minore ampiezza di tensione RF e quindi una minore profondità di trappola è scelto. Tuttavia, una minore profondità di trappola conduce facilmente alla fuga degli ioni intrappolati, quindi la realizzazione di strati dielettrici più spessi, in grado di sopportare tensioni superiori di RF, è più desiderabile.
Ci sono alcune limitazioni per il metodo di fabbricazione presentato in questa carta. Le lunghezze degli strapiombi non sono sufficienti per nascondere completamente i fianchi dielettrici da ioni intrappolati, come mostrato in Figura 7f. Inoltre, le pareti laterali dei pilastri dell'ossido sono frastagliate, aumentando la superficie esposta dei fianchi dielettrici rispetto al pilastro verticale ossido. Ad esempio, nel caso il fianco della rotaia interna DC accanto allo slot di caricamento con una sporgenza di uniforme di 5 µm, si calcola che il 33% della superficie del dielettrica è esposto nella posizione di ioni intrappolati dei fianchi verticali. Nel caso di bordo frastagliato, oltre il 70% della zona di muro laterale è esposto. Questi risultati non ideali fabbricazione possono indurre ulteriori campi di dispersione dai dielettrici esposti, ma gli effetti non sono stati misurati quantitativamente. Tuttavia, il chip fabbricato come riportato sopra è stato utilizzato con successo in intrappolamento dello ione e gli esperimenti di manipolazione del qubit. Inoltre, il chip di trappola presentato in questa carta ha esposto i fianchi di silicio nei pressi della slot di caricamento. Ossido nativo può crescere sulle superfici di silicio e può provocare ulteriori campi di dispersione. Pertanto, si consiglia di proteggere il substrato di silicio con un ulteriore strato di metallo, come in33.
Per intercettare gli ioni 174Yb+ , le frequenze dei laser dovrebbero essere stabilizzate entro poche decine di MHz, e diversi metodi sono discussi in configurazioni avanzate38,41. Tuttavia, per l'installazione semplice discussa in questa carta, intrappolamento iniziale è possibile solo con la stabilizzazione mediante un misuratore di lunghezza d'onda.
Questa carta ha fornito un protocollo per intrappolare gli ioni di Yb+ 174utilizzando un chip di superficie trappola ionica microfabbricati. Anche se il protocollo per intrappolare gli ioni 171Yb+ non è discusso in particolare, la messa a punto sperimentale descritto in questo documento può essere utilizzato anche per intrappolare gli ioni 171Yb+ e per modificare lo stato del qubit di 171 Ioni di Yb+ per ottenere Rabi oscillazione risultati (mostrato in Figura 10). Questo può essere fatto aggiungendo diversi Modulatori ottici per l'output dei laser e utilizzando il programma di installazione di un forno a microonde, come descritto nel Documento complementare.
In conclusione, i metodi sperimentali e i risultati presentati in questa carta consente di sviluppare varie applicazioni di informazione quantistica utilizzando trappole ioniche superficiale.

Una trappola di Paul può confinare le particelle cariche, tra cui gli ioni nello spazio vuoto, usando una combinazione di un campo elettrico statico e un campo elettrico variabile oscillante a radio frequenza (RF), e gli stati quantistici degli ioni confinati nella trappola può essere misurati e controllato1,2,3. Tali trappole ioniche sono stati originariamente sviluppati per applicazioni di misura precisi, tra cui orologi ottici e spettroscopia di massa4,5,6. Negli ultimi anni, queste trappole ioniche sono anche stati attivamente Esplorate come una piattaforma fisica per implementare l'elaborazione dell'informazione quantistica attribuita alle caratteristiche desiderabili di ioni intrappolati, come lunghi tempi di coerenza, isolamento ideale in un ultra-alta ambiente di vuoto (UHV) e la fattibilità di singolo qubit manipolazione7,8,9,10. Dal Kielpinski et al. 11 proposto un'architettura scalabile trappola ionica che può essere utilizzata per sviluppare i computer quantistici, vari tipi di trappole di superficie, tra cui svincolo trappole12,13, multizona trappola chip14e 2-d matrice trappole15,16,17, sono stati sviluppati utilizzando semiconduttori derivato dal processo di microfabbricazione metodi18,19,20,21 . Informazione quantistica su larga scala sistemi basati sulla superficie di elaborazione trappole sono stati anche discussi22,23,24.
Questa carta presenta metodi sperimentali per gli ioni di cattura mediante trappole ioniche superficie microfabbricati. Più specificamente, una procedura per fabbricare superficie trappole ioniche e una procedura dettagliata per gli ioni di intrappolamento utilizzando le trappole fabbricate sono descritti. Inoltre, le descrizioni dettagliate delle varie tecniche pratiche per predisporre il sistema sperimentale e intrappolare gli ioni sono fornite nel Documento complementare.
La metodologia per microfabricating una superficie trappola ionica è dato nel passaggio 1. La figura 1 Mostra uno schema semplificato di un superficie trappola ionica. I campi elettrici generati dalla tensione applicata agli elettrodi nel piano trasversa sono indicati anche25. Una tensione di RF è applicata alla coppia di elettrodi RF, mentre tutti gli altri elettrodi sono tenuti a terra RF; il potenziale di ponderomotrice26 generato dalla tensione RF limita gli ioni nella direzione radiale. La tensione di corrente continua (DC) applicata agli elettrodi multipli DC fuori gli elettrodi RF confinare gli ioni nella direzione longitudinale. I binari interni tra gli elettrodi di RF sono progettati per aiutare inclinare gli assi principali del potenziale totale nel piano trasversa. La metodologia per la progettazione di un insieme di tensione DC è incluso nel Documento complementare. Inoltre, più dettagli per progettare i parametri geometrici essenziali di superficie trappola ionica chip si trovano in27,28,29,30,31.
Il metodo di fabbricazione introdotto nel passaggio 1 è stato progettato considerando i seguenti aspetti. In primo luogo, lo strato dielettrico tra lo strato di elettrodo e lo strato di terra dovrebbe essere sufficientemente spesso per impedire la ripartizione elettrica tra gli strati. Generalmente, lo spessore dovrebbe essere sopra 10 µm. Durante la deposizione dello strato dielettrico spessa, dello stress residuo da pellicole depositate possa causare inchinandosi del substrato o danni dei film depositati. Così, controllare la tensione residua è uno delle tecniche chiave nella fabbricazione delle superficie trappole dello ione. In secondo luogo, l'esposizione delle superfici dielettriche alla posizione dello ione deve essere minimizzato perché randagi cariche possono essere indotte sul materiale dielettrico da laser sparsi ultravioletto (UV), che nei risultati di girare in uno spostamento casuale dello ione di posizione. L'area esposta può essere ridotto di progettazione di strutture di elettrodo di sporgenza. È stato segnalato che in superficie trappole ioniche con elettrodo strapiombi sono resistenti alla carica in condizioni sperimentali tipiche32. Terzo, tutti i materiali, tra cui varie pellicole depositate, dovrebbero essere in grado di resistere a 200 ° C, cottura per circa 2 settimane, e la quantità di emissione di gas da tutti i materiali deve essere compatibile con ambienti di UHV. Il design della trappola ionica superficiale chip microfabbricati in questa carta è basato sul design di trappola da33, che è stato utilizzato con successo in vari esperimenti32,33,34, 35. si noti che questo disegno include uno slot nel mezzo il chip per caricamento atomi neutri, che vengono poi foto ionizzata per il trapping.
Dopo il montaggio del chip trappola ionica, il chip è montato e collegato elettricamente al vettore chip utilizzando fili di oro incollaggio. Il trasportatore di chip viene quindi installato in una camera in UHV. Una procedura dettagliata per la preparazione di un package di chip di trappola e il design della camera UHV sono forniti nel Documento complementare.
Preparazione delle attrezzature ottiche ed elettriche, nonché le procedure sperimentali per gli ioni di intrappolamento, sono spiegati in dettaglio nel passaggio 2. Gli ioni intrappolati dal ponderomotrice potenziali sono generalmente soggetti a fluttuazioni del campo elettrico circostante, che continuamente aumenta l'energia cinetica media degli ioni. Raffreddamento a laser basato su effetto Doppler può essere utilizzato per rimuovere l'eccesso di energia dal movimento degli ioni. La figura 2 Mostra i diagrammi semplificati di livello di energia di un ione di Yb+ 174e un atomo neutro 174di Yb. Doppler raffreddamento di 174Yb+ ioni richiede un 369,5-nm e un laser di 935-nm, mentre foto-ionizzazione degli atomi Yb neutro 174richiede un laser 399-nm. Punti 2.2 e 2.3 descrivono un metodo efficiente per allineare questi laser per il chip di superficie trappola ionica e una procedura per trovare le giuste condizioni per foto-ionizzazione. Dopo i componenti ottici ed elettrici sono preparati, intrappolando gli ioni è relativamente semplice. La sequenza sperimentale per gli ioni dell'intrappolamento è presentata al punto 2.4.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="1425">
	<tbody>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;width:293px;">photoresist used for 2-&#956;m spin coating</td>
			<td style="width:123px;">AZ Materials</td>
			<td style="width:381px;">AZ7220</td>
			<td style="width:629px;">Discontinued. Easily replaced by other alternative photoresist product.</td>
		</tr>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;">photoresist used for 6-&#956;m spin coating</td>
			<td>AZ Materials</td>
			<td>AZ4620</td>
			<td>Discontinued. Easily replaced by other alternative photoresist product.</td>
		</tr>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;">ceramic chip carrier</td>
			<td>NTK</td>
			<td>IPKX0F1-8180BA</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;">epoxy compound</td>
			<td>Epotek</td>
			<td>353ND</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="45">
			<td height="45" style="height:45px;width:293px;">Plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) system</td>
			<td style="width:123px;">Oxford Instruments</td>
			<td style="width:381px;">PlasmaPro System100</td>
			<td style="width:629px;"></td>
		</tr>
		<tr height="56">
			<td height="56" style="height:56px;width:293px;">Low pressure chemical vapor deposition (LPCVD) system</td>
			<td style="width:123px;">Centrotherm</td>
			<td style="width:381px;">E-1200</td>
			<td style="width:629px;"></td>
		</tr>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;width:293px;">Furnace</td>
			<td style="width:123px;">Seltron</td>
			<td style="width:381px;">SHF-150</td>
			<td style="width:629px;"></td>
		</tr>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;width:293px;">Sputter</td>
			<td style="width:123px;">Muhan Vacuum</td>
			<td style="width:381px;">MHS-1500</td>
			<td style="width:629px;"></td>
		</tr>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;width:293px;">Manual aligner</td>
			<td style="width:123px;">Karl-Suss</td>
			<td style="width:381px;">MA-6</td>
			<td style="width:629px;"></td>
		</tr>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;width:293px;">Deep Si etcher</td>
			<td style="width:123px;">Plasma-Therm</td>
			<td style="width:381px;">SLR-770-10R-B</td>
			<td style="width:629px;"></td>
		</tr>
		<tr height="53">
			<td height="53" style="height:53px;width:293px;">Inductive coupled plasma (ICP) etcher</td>
			<td style="width:123px;">Oxford Instruments</td>
			<td style="width:381px;">PlasmaPro System100 Cobra</td>
			<td style="width:629px;"></td>
		</tr>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;width:293px;">Reactive ion etching (RIE) etcher</td>
			<td style="width:123px;">Applied Materials</td>
			<td style="width:381px;">P-5000</td>
			<td style="width:629px;"></td>
		</tr>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;width:293px;">Boundary element method (BEM) software</td>
			<td style="width:123px;">CPO Ltd.</td>
			<td style="width:381px;">Charged Particle Optics</td>
			<td style="width:629px;"></td>
		</tr>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;width:293px;">Single crystaline (100) silicon wafer</td>
			<td style="width:123px;">STC</td>
			<td style="width:381px;">4SWP02</td>
			<td style="width:629px;">100 mm / (100) / P-type / SSP / 525&#177;25 &#956;m</td>
		</tr>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;">metal tubes</td>
			<td>Mcmaster-carr</td>
			<td>89935K69</td>
			<td>316 Stainless Steel Tubing, 0.042&#34; OD, 0.004&#34; Wall Thickness</td>
		</tr>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;">Yb piece</td>
			<td>Goodfellow</td>
			<td style="width:381px;">YB005110</td>
			<td>Ytterbium wire, purity 99.9%</td>
		</tr>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;">enriched 171Yb</td>
			<td>Oak Ridge National Laboratory</td>
			<td>Yb-171</td>
			<td>https://www.isotopes.gov/catalog/product.php?element=Ytterbium</td>
		</tr>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;">tantalum foil</td>
			<td>The Nilaco Corporation</td>
			<td>TI-453401</td>
			<td>0.25x130x100mm 99.5%</td>
		</tr>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;">Kapton-insulated copper wire</td>
			<td>Accu-glass</td>
			<td>18AWG (silver plated copper wire kapton insulted)</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;">residual gas analyzer (RGA)</td>
			<td>SRS</td>
			<td>RGA200</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;">turbo pump</td>
			<td>Agilent</td>
			<td>Twistorr84 FS</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;">all-metal valve</td>
			<td>KJL</td>
			<td>manual SS All-Metal Angle Valves (CF flanged)</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;">Leak detector (used as a rough pump)</td>
			<td>Varian</td>
			<td>PD03</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;">ion gauges</td>
			<td>Agilent</td>
			<td>UHV-24p</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;">ion pump</td>
			<td>Agilent</td>
			<td>VacIon Plus 20</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;">NEG pump</td>
			<td>SAES Getters</td>
			<td>CapaciTorr D400</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;">spherical octagon</td>
			<td>Kimball Physics</td>
			<td>MCF600-SphOct-F2C8</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;">ZIF socket</td>
			<td>Tactic Electronics</td>
			<td>P/N 100-4680-002A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;">multi-pin feedthroughs</td>
			<td>Accu-Glass</td>
			<td>6-100531</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;">25 D-sub gender adapters</td>
			<td>Accu-Glass</td>
			<td>104101</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;width:293px;">Recessed viewport</td>
			<td>Culham Centre for Fusion Energy</td>
			<td style="width:381px;">100CF 316LN+20.9 Re-Entrant 316 (Custom order)</td>
			<td style="width:629px;">Disc material: 60cv Fused Silica 4mm THK, TWE Lambda 1/10, 20/10 Scratch-Dig</td>
		</tr>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;width:293px;">Recessed viewport AR coating</td>
			<td style="width:123px;">LaserOptik</td>
			<td style="width:381px;">AR355nm/0-6&#176; HT370-650nm/0-36&#176; on UHV (Custom order)</td>
			<td style="width:629px;">AR coating was performed in the middle of the fabrication of the recessed viewport</td>
		</tr>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;width:293px;">Digital-analog converter</td>
			<td style="width:123px;">AdLink</td>
			<td style="width:381px;">PCIe-6216V-GL</td>
			<td style="width:629px;"></td>
		</tr>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;width:293px;">369.5nm laser</td>
			<td style="width:123px;">Toptica</td>
			<td style="width:381px;">TA-SHG Pro</td>
			<td style="width:629px;"></td>
		</tr>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;width:293px;">369.5nm laser</td>
			<td style="width:123px;">Moglabs</td>
			<td style="width:381px;">ECD004 + 370LD10 + DLC102/HC</td>
			<td style="width:629px;"></td>
		</tr>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;width:293px;">399nm laser</td>
			<td style="width:123px;">Toptica</td>
			<td style="width:381px;">DL 100</td>
			<td style="width:629px;"></td>
		</tr>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;width:293px;">935nm laser</td>
			<td style="width:123px;">Toptica</td>
			<td style="width:381px;">DL 100</td>
			<td style="width:629px;"></td>
		</tr>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;width:293px;">369.5nm &#38; 399nm optical fiber</td>
			<td style="width:123px;">Coherent</td>
			<td style="width:381px;">NUV-320-K1</td>
			<td style="width:629px;">Patch cables are connectorized by Costal Connections.</td>
		</tr>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;width:293px;">935nm optical fiber</td>
			<td style="width:123px;">GouldFiber Optics</td>
			<td style="width:381px;">PSK-000626</td>
			<td style="width:629px;">50/50 fiber beam splitter made of Corning HI-780 single mode fiber to combine 935nm and 638nm together.</td>
		</tr>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;">Wavelength meter</td>
			<td>High Finesse</td>
			<td>WSU-2</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;">temporary mirror</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>PF10-03-P01</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;">Dichroic mirror</td>
			<td>Semrock</td>
			<td>FF647-SDi01-25x36</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;">369.5nm &#38; 399nm collimator</td>
			<td>Micro Laser Systems</td>
			<td>FC5-UV-T/A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;">935nm collimator</td>
			<td>Sch&#228;fter + Kirchhoff</td>
			<td>60FC-0-M8-10</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;width:293px;">369.5nm focusing lens</td>
			<td style="width:123px;">CVI</td>
			<td style="width:381px;">PLCX-25.4-77.3-UV-355-399</td>
			<td>Focal length: ~163mm @ 369.5nm</td>
		</tr>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;width:293px;">399nm &#38; 935nm focusing lens</td>
			<td style="width:123px;">CVI</td>
			<td style="width:381px;">PLCX-25.4-64.4-UV-355-399</td>
			<td style="width:629px;">Focal length: ~137mm @ 399nm, ~143mm @ 935nm</td>
		</tr>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;">imaging lens</td>
			<td>Photon Gear</td>
			<td>P/N 15470</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;">369.5nm bandpass filter</td>
			<td>Semrock</td>
			<td>FF01-370/6-25</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;">399nm bandpass filter</td>
			<td>Semrock</td>
			<td>FF01-395/11-25</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;">IR filter</td>
			<td>Semrock</td>
			<td>FF01-650/SP-25</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;">EMCCD camera</td>
			<td>Andor Technology</td>
			<td>DU-897U-CS0-EXF</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;">PMT</td>
			<td>Hamamatsu</td>
			<td>H10682-210</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

experimental methods for trapping ions using microfabricated surface ion traps

Gli ioni intrappolati in un quadripolo trappola Paul sono stati considerati uno dei candidati fisici forti per implementare l'elaborazione di informazione quantistica. Ciò è dovuto il loro tempo di coerenza lungo e la loro capacità di manipolare e rilevare bit quantistici individuali (qubit). In anni più recenti, microfabbricati superficie trappole ioniche hanno ricevuto maggiore attenzione per le piattaforme di qubit integrata su larga scala. Questa carta presenta una metodologia di microfabbricazione per trappole ioniche utilizzando la tecnologia di sistema micro-elettro-meccanici (MEMS), compreso il metodo di fabbricazione per un 14 µm di spessore strato dielettrico e metallo sporgenza strutture in cima lo strato dielettrico. In aggiunta, una procedura sperimentale per intrappolare ioni di itterbio (Yb) dell'isotopo 174 (174Yb+) utilizzando 369,5 nm, 399 nm, e 935 nm diodo laser è descritto. Queste metodologie e procedure coinvolgono molte discipline scientifiche e ingegneristiche, e questa carta presenta in primo luogo le procedure sperimentali. I metodi descritti in questa carta possono essere facilmente esteso per l'intrappolamento di ioni Yb dell'isotopo 171 (171Yb+) e per la manipolazione di qubits.

La figura 7 Mostra i micrografi scansione (SEM) del chip fabbricato trappola ionica. La RF elettrodi, elettrodi DC interni, esterno DC elettrodi e fessura di caricamento sono stati fabbricati con successo. Il profilo della parete laterale del pilastro dielettrico è diventato irregolare perché l'ossido PECVD è stato depositato in diversi passaggi. I molteplici passaggi di deposizione sono stati utilizzati per ridurre al minimo gli effetti delle tensioni residue da film di ossido spessa. Questo è ulteriormente descritto nella discussione.

Figura 8 Mostra l'immagine EMCCD di cinque 174Yb+ ioni intrappolati utilizzando il chip di trappola ionica microfabbricati. Gli ioni intrappolati possono durare per più di 24 h con Doppler continuo raffreddamento. Il numero di ioni intrappolati può essere regolato tra 1 e 20 modificando il set di tensione DC applicato. Questa messa a punto sperimentale è molto affidabile e robusto e attualmente è stato in funzione per 50 mesi.
Figura 9 Mostra la marcia degli ioni intrappolati lungo la direzione assiale. La posizione di ioni nella Figura 9b è spostata da quella in figura 9a attraverso la regolazione della posizione del minimo potenziale DC modificando le tensioni CC.
La figura 10 Mostra i risultati preliminari di Rabi oscillazione esperimenti con un ione di Yb+ 171. Per ottenere i risultati, sono state utilizzate le configurazioni aggiuntive descritte nel Documento complementare . I risultati sono stati inclusi per mostrare una potenziale applicazione del setup sperimentale spiegato in questo documento.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig1.jpg"> 
Figura 1: schematico della presa dello ione superficie. (un) il rosso punti rappresentano gli ioni intrappolati. Gli elettrodi di marroni e gialli indicano gli elettrodi RF e DC, rispettivamente. Le frecce grigie indicano la direzione del campo elettrico durante la fase positiva della tensione RF. Si noti che lo schema non viene disegnato in scala. dimensioni (b) verticale della struttura dell'elettrodo. dimensioni (c), il laterale della struttura dell'elettrodo. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56060/56060fig1large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig2.jpg"> 
Figura 2: Diagrammi di livello di energia semplificati di un ione di Yb+ 174e un atomo neutro 174di Yb. (a) quando un 369,5 nm laser è depotenziato a lato rosso (bassa frequenza) della risonanza, una transizione in bicicletta tra 2P1/2 e 2S1/2 riduce l'energia cinetica dello ione a causa l'effetto Doppler effetto. Occasionalmente, un rapporto di ramificazione piccolo ma finito rende il decadimento dell'elettrone da 2P1/2 a 2D3/2, e un laser di 935-nm è tenuto a restituire l'elettrone torna alla transizione principale in bicicletta. L'elettrone può anche decadere in uno stato di7/2 2F una volta all'ora, in media e un laser nm 638 si può pompare fuori dallo stato di7/2 2F, ma questo non è necessario per un semplice sistema38. I valori nella notazione ket rappresentano le proiezioni del momento angolare totale J lungo l' asse di quantizzazione m.J. (b) per ionizzare atomi neutri evaporati dal forno, un processo di assorbimento a due fotoni è stato usato39. Un laser di nanometro 399 eccitato un elettrone a 1P1 stato, e il fotone 369.5 nm per raffreddamento Doppler aveva più energia del necessario per rimuovere l'elettrone eccitato dal ione. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56060/56060fig2large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig3.jpg"> 
Figura 3: flusso del processo di fabbricazione di una superficie trappola ionica. (un) termico ossidazione a crescere un 5.000 Å spessore SiO2 livello e LPCVD di uno strato di 2.000 Å spessore Si3N4 . (b) deposizione e ICP acquaforte di uno strato di Al sputtered di 1,5 µm di spessore. (c), deposizione di un 14 strato2 SiO di µm di spessore su entrambi i lati del wafer utilizzando processi PECVD. (d) Patterning 14 µm di spessore SiO2 strato depositato sulla parte anteriore del wafer utilizza un processo RIE (e) di Patterning del 14 µm-spessore SiO2 strato depositato sul retro del wafer utilizza un processo RIE. (f), deposizione di un 1.5 µm spessore polverizzato Al layer e uno strato di2 di 1 µm di spessore PECVD SiO. processo di Patterning del 1,5 µm di spessore Al livello utilizza un processo ICP e 1 µm di spessore SiO2 livello utilizzando un RIE (g). (h) Patterning del 14 µm-spessore SiO2 strato depositato sulla parte anteriore del wafer utilizza un processo RIE. (i) processo di Patterning 5.000 Å spessore SiO2 strato di e 2.000 Å di spessore Si3N4 livello utilizzando un RIE. (j), DRIE del substrato di silicio 450 µm dal retro del wafer. (k) bagnato-acquaforte del SiO2 livello sugli elettrodi Al e le pareti laterali dei pilastri dielettrici. (l) penetrazione del substrato di silicio dalla parte anteriore attraverso un processo DRIE. Si noti che gli schemi non vengono disegnati in scala. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56060/56060fig3large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig4.jpg"> 
Figura 4: un esempio della tensione DC impostata usata per intrappolare gli ioni. Le tensioni applicate per i binari interni possono compensare per il campo elettrico asimmetrico in direzione orizzontale per inclinare gli assi principali del potenziale totale nel piano trasversa. La frequenza di trappola assiale generata dall'insieme di tensione è stato 550 kHz. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56060/56060fig4large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
Ether.within-pagina = "1" &gt;<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig5v2.jpg"> 
Figura 5: schematica dell'apparato ottico. Tre diodi laser sono allineati per sovrapporsi alla posizione di cattura. Finestra ad incasso della camera UHV consente l'imaging obiettivo di essere collocato più vicino possibile al chip in superficie. Un flip-specchio posizionato tra la lente imaging e il EMCCD consente il monitoraggio selettivo della fluorescenza dello ione utilizzando un tubo di fotone moltiplicato (PMT) o un EMCCD. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56060/56060fig5v2large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig6.jpg"> 
Figura 6: immagini dell'apparato ottico costruito. (un) A bobina è avvolta intorno finestra anteriore della camera per generare un campo magnetico, che può rompere i livelli di energia degenerati di ioni di itterbio. (b), l'installazione di ottica per sterzo i 399 nm e 935 nm travi. Le linee rosse e verdi indicano il percorso del fascio della 935 nm e 399 laser nm, rispettivamente. (c) la configurazione dell'imaging sistema, tra cui il flip-mirror, la lente di imaging, il EMCCD e il pagam. Il percorso della fluorescenza emessa da ioni intrappolati può essere determinato dal flip-specchio. Le frecce verdi e bianche indicano il percorso della fluorescenza quando monitorati dal EMCCD e la PMT, rispettivamente. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56060/56060fig6large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig7.jpg"> 
Figura 7: risultati di fabbricazione della presa dello ione superficie. (un) Panoramica del layout del circuito integrato. (b) una vista ingrandita del layout del circuito integrato, che mostra il più elettrodi DC esterni. (c) una vista ingrandita del layout di chip, che mostra la fessura di caricamento. (d) una sezione trasversale vista della regione dell'intrappolamento prima di penetrare la fessura di caricamento. (e) una sezione trasversale vista della regione dell'intrappolamento dopo avere penetrato la fessura di caricamento. (f) A ingrandita vista di sezione trasversale del pilastro dell'ossido. I pilastri di ossido sono frastagliate pareti, e le lunghezze dello sbalzo non sono sufficienti, che è attribuito al tasso etch non uniforme del SiO2 in corrispondenza delle interfacce tra i separatamente depositato 3,5 µm di spessore SiO2 strati. (g), una vista dall'alto di un rilievo di wire-bonding di un elettrodo di DC. (h), A vista di sezione trasversale di una via. Profili inclinati dei pilastri ossido consentono il collegamento dell'elettrodo DC e lo strato di terra durante la deposizione dello strato sul fianco del pilastro ossido invece di riempimento la via i fori con un processo di elettrodeposizione. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56060/56060fig7large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
<img alt="Figure 8" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig8.jpg"> 
Figura 8: immagine An EMCCD di cinque ioni di Yb+ 174intrappolati sul chip trappola ionica microfabbricati. L'immagine della struttura dell'elettrodo superficiale trappola è stata presa separatamente, e le immagini dello ione intrappolato e degli elettrodi sono state combinate per chiarezza. La leggenda di intensità si applica solo ai pixel nella casella. La freccia spessa indica il percorso del fascio del laser 369.5 nm e le frecce sottili rappresentano i componenti x e z della quantità di moto del fotone. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56060/56060fig8large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
<img alt="Figure 9" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig9.jpg"> 
Figura 9: regolazione del potenziale assiale degli ioni intrappolati in una catena lineare. (un) sette ioni al centro della trappola. (b) gli ioni sono stati trasportati decine di micrometri. (c) la stringa di ioni spremuto in direzione assiale. Questa figura è meglio visto come un film, che è caricato separatamente. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56060/56060fig9large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
<img alt="Figure 10" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig10.jpg"> 
Figura 10: Risultati sperimentali di oscillazioni di Rabi tra i | 0 <img alt="Image 1" src="/files/ftp_upload/56060/56060img1.jpg"> </img> e | 1 <img alt="Image 1" src="/files/ftp_upload/56060/56060img1.jpg"> </img> Stati. | 0<img alt="Image 1" src="/files/ftp_upload/56060/56060img1.jpg"> </img> è definito come il 2S1/2| F = 0, mF= 0<img alt="Image 1" src="/files/ftp_upload/56060/56060img1.jpg"> </img> statale dello ione 171Yb+ , e | 1<img alt="Image 1" src="/files/ftp_upload/56060/56060img1.jpg"> </img> è definito come il 2S1/2| F = 1, mF= 0<img alt="Image 1" src="/files/ftp_upload/56060/56060img1.jpg"> </img> stato. L'oscillazione di Rabi è indotta da un forno a microonde 12,6428-GHz. Bloch sfere sopra la trama mostrano gli stati quantici corrispondenti ai tempi differenti. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56060/56060fig10large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
Documento supplementare: <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56060/jove-56060_Supplementary_Document.pdf" target="_blank">Clicca qui per scaricare questo documento.</a>

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Experimental Methods for Trapping Ions Using Microfabricated Surface Ion Traps

Questa carta presenta una metodologia di microfabbricazione per superficie trappole ioniche, nonché una dettagliata procedura sperimentale per gli ioni di itterbio di intrappolamento in un ambiente di temperatura.

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Characterization of Surface Modifications by White Light Interferometry: Applications in Ion Sputtering, Laser Ablation, and Tribology Experiments

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