Dette paper præsenterer en microfabrication metode til overflade ion fælder, samt en detaljeret eksperimentel procedure for fældefangst ytterbium ioner i en stuetemperatur miljøet.
Ioner fanget i en Quadrupol, Paul trap har været betragtet som en af de stærke fysiske kandidater til at gennemføre quantum informationsbehandling. Dette er på grund af deres lange sammenhængende tid og deres evne til at manipulere og registrere individuelle quantum bits (qubits). I de senere år, har microfabricated overflade ion fælder fået mere opmærksomhed for storstilet integreret qubit platforme. Dette paper præsenterer en microfabrication metode til ion fælder ved hjælp af mikro-elektro-mekanisk system (MEMS) teknologi, herunder metoden fabrikation for en 14 µm tykt dielektriske lag og metal udhæng strukturer på toppen af de dielektriske lag. Desuden er en eksperimentel procedure for fældefangst ytterbium (Yb) ioner af isotop 174 (174Yb+) ved hjælp af 369.5 nm, 399 nm, og 935 nm diode lasere er beskrevet. Disse metoder og procedurer, der involverer mange videnskabelige og ingeniørmæssige discipliner, og dette papir først præsenterer de detaljerede eksperimentelle procedurer. De metoder, der drøftes i dette dokument kan let udvides, at fangst af Yb ioner af isotop 171 (171Yb+) og manipulation af qubits.
Et Paul trap kan begrænse ladede partikler, herunder ioner i tom plads, ved hjælp af en kombination af en statisk elektrisk felt og en varierende elektriske felt oscillerende radio frekvens (RF), og quantum staterne af ioner er begrænset i fælden kan måles og kontrolleret1,2,3. Sådanne ion fælder blev oprindeligt udviklet til præcis måling applikationer, herunder optiske ure og masse spektroskopi4,5,6. I de seneste år, har disse ion fælder også været aktivt undersøges som en fysisk platform til at gennemføre quantum informationsbehandling tilskrives fanget ioner, som længe sammenhæng gange, ønskelige karakteristika ideelle isolation i en ultra-høje vakuum (UHV) miljø, og muligheden for individuelle qubit manipulation7,8,9,10. Siden Kielpinski mfl. 11 foreslået en skalerbar ion-fælde arkitektur, der kan bruges til at udvikle kvantecomputere, forskellige typer af overflade fælder, herunder junction fælder12,13, multi-zone fælde chips14og 2D-array fælder15,16,17, er blevet udviklet ved hjælp af halvleder proces-afledte microfabrication metoder18,19,20,21 . Storstilet quantum information processing systemer baseret på overfladen fælder er også blevet drøftet22,23,24.
Dette paper præsenterer eksperimentelle metoder til fældefangst ioner ved hjælp af microfabricated overflade ion fælder. Mere specifikt en procedure for at fabrikere overflade ion fælder og en detaljeret procedure for fældefangst ioner ved hjælp af de fabrikerede fælder er beskrevet. Derudover findes detaljerede beskrivelser af forskellige praktiske teknikker til at oprette den eksperimentelle system og fældefangst ioner i Supplerende dokument.
Metodologien for microfabricating en overflade ion trap er givet i trin 1. Figur 1 viser et forenklet skematisk af en overflade ion trap. De elektriske felter, genereret af spænding til elektroder i et tværplan er også vist25. En RF spænding er anvendt til par af RF elektroder, mens alle andre elektroder holdes på RF jorden; den ponderomotive potentielle26 genereret af RF spænding begrænser ioner i radial retning. Jævnstrøm (DC) spænding til flere DC elektroderne udenfor RF elektroder begrænse ioner til længderetning. De indvendige skinner mellem RF elektroderne er udformet for at vippe de vigtigste akser i det samlede potentiale i et tværplan. Metode til at designe en DC spænding sæt er inkluderet i det Supplerende dokument. Derudover findes flere detaljer til at designe de vigtige geometriske parametre af overflade ion-fælde chips i27,28,29,30,31.
Fabrikation metoden indført i trin 1 blev designet overvejer følgende aspekter. Først, de dielektriske lag mellem elektrode lag og jorden lag skal være tilstrækkelig tykke at forhindre elektrisk fordeling mellem lagene. Generelt bør tykkelsen over 10µm. Under aflejring af det tykke dielektriske lag, kan den resterende stress fra de deponerede film forårsage bukkede substrat eller skader på de deponerede film. Kontrollere den resterende stress er således en af de vigtigste teknikker i fabrikation af de overflade ion fælder. For det andet bør eksponering af de dielektriske overflader til positionen ion minimeres fordi omstrejfende afgifter kan induceres på de dielektrisk materiale af spredte ultraviolet (UV) lasere, som i turn resultater i en tilfældig skift af ion position. Det udsatte område kan reduceres ved at designe overhæng elektrode strukturer. Det er blevet rapporteret, at overfladen ion fælder med elektrode udhæng er resistente over for opladning under typiske forsøgsbetingelser32. Tredje, alle materialer, herunder forskellige deponerede film, bør være i stand til at modstå 200 ° C bagning i ca 2 uger, og mængden af udstrømning fra alle materialer bør være forenelig med UHV miljøer. Design af overflade ion-fælde chips microfabricated i dette papir er baseret på den fælde design fra33, som var med held brugt i forskellige eksperimenter32,33,34, 35. Bemærk at dette design inkluderer en slot midt i chippen for indlæsning af neutrale atomer, som er senere foto-ioniseret for diffusering.
Efter fabrikation af ion-fælde chip, er chip monteret og elektrisk tilsluttet chip luftfartsselskab benytter guld bonding ledninger. Chip luftfartsselskab er derefter installeret i en UHV kammer. En detaljeret procedure for at forberede en fælde chippakke og design af UHV kammer leveres i Supplerende dokument.
Forberedelse af det optiske og elektrisk udstyr, samt de eksperimentelle procedurer for fældefangst ioner, er forklaret i detaljer i trin 2. Ioner fanget af den potentielle ponderomotive er generelt genstand for udsving i den omgivende elektrisk felt, som løbende øger den gennemsnitlige kinetiske energi af ioner. Laser køling baseret på Doppler Skift kan bruges til at fjerne den overskydende energi fra bevægelse af ioner. Figur 2 viser de forenklede energi-niveau diagrammer af en 174Yb+ ion og en neutral 174Yb atom. Doppler køling af 174Yb+ ioner kræver en 369.5-nm laser og en 935-nm laser, mens foto-ionisering af neutrale 174Yb atomer kræver en 399-nm laser. Trin 2.2 og 2.3 beskriver en effektiv metode til at justere disse lasere til overflade ion-fælde-chip og en procedure for at finde de rette betingelser for foto-ionisering. Efter de optisk og elektriske komponenter er forberedt, er fældefangst ioner relativt ligetil. Den eksperimentelle sekvens for fældefangst ioner er præsenteret i trin 2.4.
Dette papir præsenteret en metode for fældefangst ioner ved hjælp af microfabricated overflade ion fælder. Opførelsen af en ion fældefangst system kræver erfaringer i forskellige forskningsområder, men er ikke tidligere blevet beskrevet i detaljer. Dette papir fastsat detaljerede procedurer for microfabricating en fælde chip såvel som for opbygningen af en eksperimentel opsætning for at fælde ioner for første gang. Dette papir også fastsat detaljerede procedurer for fældefangst 174Yb+ ioner og eksperimentere med fanget ioner.
En væsentlig hindring står over for i microfabrication procedurerne er aflejring af de dielektriske lag med en tykkelse på over 10 µm. Under deposition processen med den tykke dielektriske lag, kan resterende stress bygge op, som kan forårsage skade på de dielektriske film eller endda bryde wafer. For at reducere det resterende stress, som er generelt trykstyrke, bør en langsom deposition sats brugte40. I vores tilfælde, blev en trykstyrke stress 110.4 MPa målt med deposition betingelser af 540 sccm SiH4 strømningshastigheden, 140 W af RF power og 1.9 Torr pres på 5 µm filmtykkelse. Dog giver betingelserne proces kun en ru reference, da disse betingelser kan variere betydeligt til forskelligt udstyr. For at mindske virkningerne af akkumulerede stress, blev 3,5 µm tykt SiO2 film deponeret alternerende på begge sider af wafer i metoden præsenteres. Den krævede tykkelse af de dielektriske lag kan reduceres, hvis en mindre RF spænding amplitude og dermed en fladere fælde dybde er valgt. Men en fladere fælde dybde let fører til udslip af fanget ioner, så fabrikation af tykkere dielektriske lag, der kan modstå højere RF spændinger, er mere ønskeligt.
Der er nogle begrænsninger at metoden fabrikation præsenteres i dette dokument. Længde af udhæng er ikke tilstrækkelige til helt skjule dielektrisk dæksider fra de fangne ioner, som vist i figur 7f. Derudover er dæksider af oxid søjler ujævne, øger det eksponerede område dielektrisk dæksider i forhold til den lodrette oxid søjle. For eksempel, i tilfælde af dæksiden af indre DC skinnen nær lastning slot med en 5 µm ensartet udhæng, er det beregnet, at 33% af de dielektriske overflade er udsat for fanget ion placeringen af lodret dæksiden. I sagen jagged edge er mere end 70% af området dæksiden udsat. Disse ikke-ideelle fabrikation resultater kan fremkalde ekstra omstrejfende felter fra de udsatte dielectrics, men effekten er ikke kvantitativt målt. Ikke desto mindre, den opdigtede chip som rapporteret ovenstående held har været anvendt i ion diffusering og qubit manipulation eksperimenter. Derudover har fælde chip præsenteret i dette papir udsat silicium sidevæggene nær lastning slot. Native oxid kan vokse på silicium overflader og kan resultere i yderligere omstrejfende felter. Det anbefales derfor, at beskytte silicium bærematerialet med en ekstra metal lag, som i33.
Hvis du vil diffusere 174Yb+ ioner, hyppigheden af lasere bør blive stabiliseret inden for et par snese MHz, og et par forskellige metoder er drøftet i avancerede opsætninger38,41. For den simple opsætning drøftes i dette dokument, er indledende diffusering dog muligt kun med stabilisering ved hjælp af en bølgelængde meter.
Dette papir leveret en protokol for at fælde 174Yb+ ioner ved hjælp af en microfabricated overflade ion-fælde chip. Selv om protokollen for fældefangst 171Yb+ ioner ikke er specifikt drøftet, kan eksperimentelle konfigurationen som beskrevet i dette papir også bruges fælde 171Yb+ ioner og manipulere qubit delstaten 171 Yb+ ioner at opnå Rabi svingning resultater (vist i figur 10). Dette kan gøres ved at tilføje flere optiske modulatorer til output af lasere og ved hjælp af en mikrobølgeovn opsætning, som beskrevet i det Supplerende dokument.
Afslutningsvis, kan eksperimentelle metoder og resultater præsenteret i dette papir bruges til at udvikle forskellige quantum oplysninger applikationer ved hjælp af overflade ion fælder.
The authors have nothing to disclose.
Denne forskning blev delvist støttet af Ministeriet for videnskab, IKT, og fremtidige planlægning (MSIP), Korea, under Information Technology Research Center (ITRC) support program (IITP-2017-2015-0-00385) og ICT R & D program (10043464, udvikling af Quantum repeater teknologi for ansøgning til kommunikationssystemer), overvåget af Institute for Information & Communications Technology fremme (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 |