Cet article présente une méthodologie de microfabrication pour surfaces pièges à ions, mais aussi une procédure expérimentale détaillée pour les ions de l’ytterbium piégeage dans un environnement à température ambiante.
Ions piégées dans un quadripôle piège de Paul ont été considéré comme l’un des candidats physiques solides pour mettre en œuvre le traitement quantique de l’information. Cela est dû à leur temps de cohérence long et leur capacité à manipuler et à détecter des bits quantiques individuels (qubits). Ces dernières années, pièges à ions surface microfabriques ont reçu plus d’attention pour les plates-formes qubit intégrée à grande échelle. Cet article présente une méthodologie de microfabrication pour pièges à ions à l’aide de la technologie des systèmes micro-électro-mécaniques (MEMS), y compris la méthode de fabrication pour un 14 µm d’épaisseur couche diélectrique et métal surplombent structures au sommet de la couche diélectrique. En outre, une procédure expérimentale pour le piégeage d’ions l’ytterbium (Yb) d’isotope 174 (174Yb+) à l’aide de 369,5 nm, 399 nm, et les lasers à diode 935 nm est décrite. Ces méthodologies et procédures impliquent plusieurs disciplines scientifiques et techniques, et nous présentons tout d’abord les procédures expérimentales. Les méthodes présentées dans cet article peuvent être facilement étendus pour le piégeage d’ions Yb d’isotope 171 (171Yb+) et à la manipulation des qubits.
Un piège de Paul peut confiner les particules chargées, y compris des ions dans un espace vide, en utilisant une combinaison d’un champ électrique statique et un champ électrique variable oscillant à radio fréquence (RF), et les États quantiques des ions confinées dans le piège peut être mesurées et commandé1,2,3. Ces pièges à ions ont été développées pour des applications de mesure précise, y compris les horloges optiques et spectroscopie de masse4,5,6. Ces dernières années, ces pièges à ions ont également étudiés de façon comme une plate-forme physique à mettre en œuvre le traitement de l’information quantique attribuée aux caractéristiques souhaitables d’ions piégées, tels que les longs temps de cohérence, isolement idéal dans une ultra-haute environnement de vide (UHV) et la faisabilité de chaque qubit manipulation7,8,9,10. Depuis Kielpinski et al. 11 a proposé une architecture évolutive-piège à ions qui peut être utilisée pour développer des ordinateurs quantiques, différents types de pièges de surface, y compris sortie pièges12,13, Multizones piège jetons14et tableau 2D pièges à15,16,17, ont été développés à l’aide de semiconducteurs dérivés de processus microfabrication méthodes18,19,20,21 . Quantique à grande échelle systèmes informatiques basés sur l’aire de pièges ont également été discutés22,23,24.
Cet article présente des méthodes expérimentales pour les ions de piégeage à l’aide de pièges à ions surface microfabriques. Plus précisément, une procédure de fabrication de pièges à ions surfaces et une procédure détaillée pour les ions de piégeage à l’aide des pièges fabriquées sont décrites. En outre, des descriptions détaillées de diverses techniques pratiques pour la mise en place le système expérimental et piéger les ions sont fournies dans le Document complémentaire.
La méthodologie pour microfabricating un piège à ions surface est donné à l’étape 1. La figure 1 montre un schéma simplifié d’un piège à ions surface. Les champs électriques générés par la tension appliquée aux électrodes dans le plan transversal figurent également le25. Une tension RF est appliquée à la paire d’électrodes de RF, tandis que toutes les autres électrodes restent au sol RF ; le potentiel de pondéromotrice26 , générée par la tension RF confine les ions à la direction radiale. La tension de courant continu (DC) appliquée aux électrodes multiples DC dehors les électrodes RF confiner les ions à la direction longitudinale. Les rails intérieurs entre les électrodes de RF sont conçus pour aider les principaux axes du potentiel total dans le plan transversal d’inclinaison. La méthodologie pour la conception d’un ensemble de tension DC est incluse dans le Document complémentaire. En outre, plus de détails pour la conception les paramètres géométriques essentielles de surface-piège à ions puces se trouvent dans27,28,29,30,31.
La méthode de fabrication présentée à l’étape 1 a été conçue en prenant en compte les aspects suivants. Tout d’abord, la couche diélectrique entre la couche de l’électrode et la couche de sol doit être suffisamment épaisse pour éviter le claquage électrique entre les couches. Généralement, l’épaisseur doit être plus de 10 µm. Au cours de la déposition de l’épaisse couche diélectrique, la contrainte résiduelle des films déposés peut causer s’inclinant du substrat ou dommages aux films déposés. Ainsi, contrôler la contrainte résiduelle est une des techniques clés dans la fabrication des pièges à ions surfaces. Deuxièmement, l’exposition des surfaces diélectriques à la position de l’ion devrait être minimisée car frais errants peuvent être induites sur le matériau diélectrique par lasers éparpillés aux ultraviolets (UV), qui, tour donne un déplacement aléatoire d’ion, position. La surface exposée peut être réduite grâce à la conception de structures d’électrode de surplomb. Il a été signalé que de surface pièges à ions avec électrode surplombs résistent à la charge en vertu des conditions expérimentales typique32. Troisièmement, tous les matériaux, y compris divers films déposés, doivent être capables de résister à 200 ° C, cuisson au four pendant environ 2 semaines, et le montant de dégazage de tous les matériaux doit être compatible avec les environnements UHV. La conception de la trappe d’ions surface puces microfabriques dans le présent document est basée sur la conception du piège de33, qui a été utilisé avec succès dans diverses expériences32,33,34, 35. Notez que cette conception inclut une fente au milieu de la puce pour chargement des atomes neutres, qui sont ensuites ionisés photo de piégeage.
Après la fabrication de la puce de trappe d’ions, la puce est montée et raccordée électriquement au transporteur de la puce à l’aide de fils de liaison or. Le transporteur de la puce est alors installé dans une chambre d’UHV. Une procédure détaillée pour la préparation d’un paquet de chip de piège et la conception de la chambre d’UHV figurent dans le Document complémentaire.
Préparation de l’équipement optique et électrique, ainsi que les procédures expérimentales pour les ions de piégeage, sont expliqués en détail à l’étape 2. Les ions piégées par le pondéromotrice potentiel sont généralement assujettis à la fluctuation du champ électrique environnante, qui augmente en permanence l’énergie cinétique moyenne des ions. Laser de refroidissement basé sur l’effet Doppler peut être utilisé pour enlever l’excès d’énergie depuis le mouvement des ions. La figure 2 montre les schémas énergétiques-niveau simplifiés d’un ion de Yb+ 174et un atome de Yb neutre 174. Refroidissement Doppler des ions Yb+ 174nécessite un laser 369,5 nm et un laser à 935-nm, tandis que photo-ionisation des atomes de Yb neutre 174exige un laser 399 nm. Étapes, 2.2 et 2.3 décrivent une méthode efficace pour aligner ces lasers à la puce de surface trappe d’ions et une procédure pour trouver les bonnes conditions de photoionisation. Une fois les composants optiques et électriques sont prêts, piégeage des ions est relativement simple. La séquence expérimentale pour les ions de piégeage est présentée à l’étape 2.4.
Cet article présente une méthode pour les ions de piégeage à l’aide de pièges à ions surface microfabriques. La construction d’un système de piégeage ionique requiert des expériences dans divers domaines de recherche, mais n’a pas déjà été décrits en détail. Ce document offre des procédures détaillées pour microfabricating une puce piège aussi bien en ce qui concerne la construction d’un montage expérimental pour piéger les ions pour la première fois. Cet article a également fourni des procédures détaillées pour piéger les ions Yb+ 174et d’expérimenter avec les ions piégées.
Un obstacle de face dans les procédures de microfabrication est le dépôt de la couche diélectrique, d’une épaisseur de plus de 10 µm. Au cours du processus de dépôt de la couche diélectrique épaisse, contraintes résiduelles peuvent s’accumuler, qui peut endommager le film diélectrique ou même casser la plaquette. Afin de réduire les contraintes résiduelles, qui est généralement de compression, un rythme lent dépôt devrait être utilisé40. Dans notre cas, un effort de compression de 110,4 MPa a été mesurée dans les conditions de dépôt de 540 sccm de SiH4 débit de gaz et de 140 W de RF puissance, 1,9 Torr de pression à l’épaisseur de film de 5 µm. Cependant, ces conditions de traitement fournissent uniquement une référence approximative, étant donné que ces conditions peuvent varier considérablement pour différents équipements. Afin de réduire les effets du stress accumulé, 3,5 µm d’épaisseur SiO2 films ont été déposés à l’alternance des deux côtés de la plaquette dans la méthode présentée. L’épaisseur requise de la couche diélectrique peut être réduit si une amplitude de tension RF plus petite et donc une profondeur piège est choisie. Toutefois, une profondeur piège conduit facilement à la fuite des ions piégées, ainsi la fabrication de couches diélectriques plus épaisses, qui peut résister à des tensions plus élevées de RF, est plus souhaitable.
Il existe certaines limitations à la méthode de fabrication présenté dans cet article. Les longueurs des surplombs ne suffisent pas à masquer complètement les flancs diélectriques des ions piégées, comme illustré à la Figure 7f. En outre, les parois latérales des piliers d’oxyde sont déchiquetés, augmentant la surface exposée des flancs diélectriques par rapport au pilier vertical d’oxyde. Par exemple, dans le cas de la paroi latérale du rail intérieur DC près de la fente de chargement avec un faux uniforme de 5 µm, il est calculé que 33 % de la surface du diélectrique est exposé à la position de l’ion piégé de la paroi verticale. Dans le cas de jagged edge, plus de 70 % de la superficie de la paroi latérale est exposée. Ces résultats de fabrication non idéales peuvent induire des champs supplémentaires des diélectriques exposées, mais les effets n’ont pas été mesurés quantitativement. Néanmoins, la puce fabriquée comme il est indiqué ci-dessus a été utilisée avec succès en piégeage ionique et des expériences de manipulation des qubits. En outre, la puce de piège présentée dans cet article a exposé des flancs de silicium près de la fente d’insertion. Oxyde natif peut pousser sur des surfaces de silicium et peut entraîner des champs supplémentaires. Par conséquent, il est recommandé de protéger le substrat de silicium avec une couche de métal supplémentaire, comme dans33.
Pour piéger les ions Yb+ 174, les fréquences des lasers faut stabiliser quelques dizaines de MHz, et quelques méthodes différentes sont discutées dans des configurations avancées38,41. Toutefois, pour la configuration simple décrit dans ce livre, piégeage initiale est possible seulement avec la stabilisation à l’aide d’un mètre de longueur d’onde.
Cette note présente un protocole pour piéger les ions de 174Yb+ à l’aide d’une puce de surface-piège à ions microfabriques. Bien que le protocole pour le piégeage d’ions de 171Yb+ n’est pas spécifiquement discuté, le dispositif expérimental décrit dans cet article peut être aussi utilisé pour piéger les ions Yb+ 171et manipuler l’état du qubit de la 171 Ions de Yb+ pour obtenir Rabi oscillation résultats (indiqué dans la Figure 10). Cela peut être fait en ajoutant plusieurs modulateurs optiques à la sortie des lasers et en utilisant une configuration de micro-ondes, comme décrit dans le Document complémentaire.
En conclusion, les méthodes expérimentales et les résultats présentés dans cet article permet de développer diverses applications d’information quantique à l’aide de pièges à ions surfaces.
The authors have nothing to disclose.
Cette recherche a été partiellement financée par le ministère de la Science, TIC, et de planification de l’avenir (MSIP), Corée, sous le centre de recherche technologique (ITRC) Information support programme (IITP-2017-2015-0-00385) et l’ICT R & programme D (10043464, développement de répéteur technologie quantique pour l’application aux systèmes de communication), supervisé par l’Institute for Information & Promotion de la technologie de Communications (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 |