Detta dokument presenterar en mikrofabrikation metod för surface ion fällor, liksom en detaljerad experimentella förfarandet för svällning Ytterby joner i en rumstemperatur miljö.
Joner som instängd i en quadrupole Paul fällan har ansetts vara en av de starka fysiska kandidaterna att genomföra quantum informationsbehandling. Detta beror på deras långa samstämmighet tid och deras förmåga att manipulera och identifiera enskilda kvantbitar (qubits). På senare år, har biochips ytan ion fällor fått mer uppmärksamhet för storskaliga integrerade qubit plattformar. Detta dokument presenterar en mikrofabrikation metod för Jon fällor med mikro-Elektro-mekaniska system (MEMS) teknik, inklusive fabrication metoden för en 14 µm tjock dielektriska skikt och metall överhäng strukturer ovanpå det dielektriska skiktet. Dessutom en experimentell förfarande för svällning ytterbium (Yb) joner av isotopen 174 (174Yb+) använder 369,5 nm, 399 nm, och 935 nm diodlaser beskrivs. Dessa metoder och förfaranden som involverar många vetenskapliga och tekniska discipliner, och denna uppsats först presenterar de detaljerade experimentella rutiner. De metoder som diskuteras i detta dokument kan enkelt förlängas till fångst av Yb joner av isotopen 171 (171Yb+) och manipulering av qubits.
En Paul fälla kan begränsa laddade partiklar, inklusive joner i tomma rymden, med hjälp av en kombination av ett statiskt elektriskt fält och ett varierande elektriska fält oscillerande på radiofrekvens (RF), och quantum påstår av jonerna begränsas i fällan kan mätas och kontrollerade1,2,3. Sådan ion fällor framkallades ursprungligen exakt mätning applikationer, inklusive optiska klockor och massa spektroskopi4,5,6. Under senare år har har dessa ion fällor också aktivt undersökts som en fysisk plattform för att genomföra den quantum informationsbehandling tillskrivs de önskvärda egenskaperna av fångade joner, som länge samstämmighet gånger, perfekt isolering i en ultra-hög vakuum (UHV) miljö och genomförbarheten av enskilda qubit manipulation7,8,9,10. Sedan Kielpinski et al. 11 föreslås en skalbar ion-fällan arkitektur som kan användas för att utveckla kvantdatorer, olika typer av yta fällor, inklusive junction fällor12,13, multi-zon fällan marker14och 2-d-matris fällor15,16,17, har utvecklats med hjälp av halvledare process-derived mikrofabrikation metoder18,19,20,21 . Storskaliga kvantmekaniska system för informationsbehandling baserat på ytan fällor har också diskuterat22,23,24.
Detta dokument presenterar experimentella metoder för fångstmetoder joner använder biochips ytan ion fällor. Mer specifikt, beskrivs ett förfarande för att fabricera ytan ion fällor och ett detaljerat förfarande för fångstmetoder joner använder påhittade fällor. Dessutom finns detaljerade beskrivningar av olika praktiska tekniker för inrättandet av det experimentella systemet och fångstmetoder joner i Kompletterande dokument.
Metoden för microfabricating en yta ion trap ges i steg 1. Figur 1 visar en förenklad Schematisk av en yta ion trap. De elektriska fält som alstras av den spänning som tillämpas på elektroderna i tvärplanet visas också25. En RF spänning till para av RF elektroder, medan alla andra elektroderna hålls på RF marken; den ponderomotive potentiella26 genereras av RF spänning begränsar jonerna i radiell riktning. Likström (DC) spänningen tillämpas flera DC elektroderna utanför RF elektroderna begränsa jonerna i längsgående riktning. Inre rälsen mellan RF elektroderna är utformade för att luta de främsta yxorna totala potential i tvärplanet. Metoden för att designa en DC spänning setet ingår i Kompletterande dokument. Dessutom kan mer Detaljer för att utforma de grundläggande geometriska parametrarna surface ion-fälla marker hittas i27,28,29,30,31.
Fabrication metoden infördes i steg 1 har utformats med tanke på följande aspekter. Först bör det dielektriska skiktet mellan elektrod lagret och marken lagret vara tillräckligt tjock för att förhindra elektrisk uppdelning mellan skikten. I allmänhet bör tjocklek över 10µm. Under nedfall av lagrets tjock dielektriska, kan restspänning från deponerade filmerna orsaka bugande av substrat eller skador till deponerade filmerna. Således, styra restspänning är en av de viktigaste teknikerna vid tillverkning av surface ion fällor. Exponeringen av de dielektriska ytorna till ion position bör det andra minimeras eftersom herrelösa avgifter kan induceras på dielektriska material av spridda ultraviolett (UV) laser, som i sin tur resulterar i en slumpmässig förskjutning Ion position. Det exponerade området kan minskas genom att utforma överhäng elektrod strukturer. Det har rapporterats att ytan ion fällor med elektrod överhäng är resistenta mot laddning under typiska försöksbetingelser32. Tredje, allt material, inklusive olika insatta filmer, bör tåla 200 ° C och baka i cirka 2 veckor, och mängden utgasning från allt material bör vara förenliga med UHV miljöer. Utformningen av den surface ion-fälla marker biochips i denna uppsats baseras på fällan design från33, som användes framgångsrikt i olika experiment32,33,34, 35. Observera att denna design inkluderar en slot mitt chip för lastning neutrala atomer, som är senare foto-joniserat för svällning.
Efter tillverkning av ion-fällan chip, chip monteras och elektriskt ansluten till chip transportören använder guld limning trådar. Flisförare installeras sedan i en UHV kammare. Ett detaljerat förfarande för att förbereda en fälla chip paketet och utformningen av UHV kammaren finns i Kompletterande dokument.
Beredning av den optiska och elektriska utrustningen samt de experimentella rutiner för fångstmetoder joner, förklaras i detalj i steg 2. De joner som fångade av den potentiella ponderomotive är i allmänhet omfattas av fluktuationer i det omgivande elektriska fältet, som kontinuerligt ökar den genomsnittliga kinetic energin av joner. Laser kylning baserat på Dopplereffekten kan användas för att ta bort överskottsenergin från rörelse av joner. Figur 2 visar de förenklade energinivå diagram av en 174Yb+ ion och en neutral 174Yb atom. Doppler kylning av 174Yb+ joner kräver en 369,5-nm laser och en 935-nm laser, medan foto-jonisering av neutrala 174Yb atomer kräver en 399-nm laser. Steg 2.2 och 2.3 beskriver en effektiv metod för att justera dessa lasrar att surface ion-fälla chip och ett förfarande för att hitta rätt förutsättningar för foto-jonisering. Efter de optiska och elektriska komponenterna är förberett, är fångstmetoder joner relativt okomplicerad. Den experimentella sekvensen för fångstmetoder joner presenteras i steg 2,4.
Detta paper presenterat en metod för fångstmetoder joner använder biochips ytan ion fällor. Byggande av en ion svällning system kräver erfarenheter inom olika forskningsområden men har inte tidigare beskrivits i detalj. Detta dokument föreskrivs detaljerade förfaranden microfabricating en fälla chip samt när det gäller att bygga ett experiment för att fälla joner för första gången. Detta dokument tillhandahålls också detaljerade procedurer för svällning 174Yb+ joner och experimentera med fångade joner.
Ett betydande hinder inför mikrofabrikation förfaranden är nedfallet av det dielektriska skiktet, med en tjocklek på över 10 µm. Under processen nedfall av lagrets tjock dielektriska kan restspänning bygga upp, vilket kan orsaka skador dielektrisk filmen eller ens bryta rånet. För att minska den kvarvarande stress, som är allmänt tryckkraft, bör en långsam insvetstal använda40. I vårt fall mättes en tryckkraft stress av 110,4 MPa med nedfall villkorar av 540 sccm SiH4 gasflödet, 140 W av RF power och 1.9 Torr av trycket vid 5 µm skikttjocklek. Dessa process villkor ger dock endast en grov referens, eftersom dessa förhållanden kan variera kraftigt för olika utrustning. För att minska effekterna av ackumulerade stress, sattes 3,5 µm tjock SiO2 filmer in alternerande på båda sidor om rånet i den presenterade metoden. Det dielektriska skiktet krävs tjocklek kan minskas om en mindre RF spänning amplitud och därmed en grundare fälla djup väljs. En grundare fälla djup leder enkelt dock till flykten av fångade joner, så tillverkning av tjockare dielektriska skikt, som tål högre RF spänningar, är mer önskvärt.
Det finns vissa begränsningar till metoden fabrication presenteras i denna uppsats. Längderna på överhäng är inte tillräcklig för att helt dölja dielektriska sidoväggarna från fångade jonerna, som visas i figur 7f. Dessutom är sidoväggarna av oxid pelarna ojämna, ökar det exponerade området av dielektriska sidoväggarna jämfört med den vertikala oxid pelaren. Till exempel när det gäller sidoväggen av inre DC stången nära lastning facket med en 5 µm enhetliga överhäng beräknas det att 33% av den dielektriska ytan utsätts för vertikala sidoväggen fångade ion ställning. I jagged-kant fall, är mer än 70% av området däcksidan utsatt. Dessa icke-ideala fabrication resultat kan inducera ytterligare herrelös fält från de exponerade dielektrika, men effekterna har inte mätts kvantitativt. Dock har den fabricerade chipet som rapporterats ovan använts framgångsrikt i ion svällning och qubit manipulation experiment. Fällan chip presenteras i denna uppsats har dessutom utsatt kisel sidoväggarna nära lastning kortplatsen. Infödda oxid kan växa på kisel ytor och kan resultera i ytterligare herrelös fält. Därför är det rekommenderat att skydda kisel substrat med metall extra, som i33.
Om du vill svälla 174Yb+ joner, frekvenserna av lasrar bör stabiliseras inom några tiotals MHz, och några olika metoder diskuteras i avancerade inställningar38,41. Men för den enkla installationen som diskuteras i detta papper, är inledande svällning möjligt endast med stabilisering med en våglängd mätare.
Detta dokument tillhandahålls ett protokoll för att fälla 174Yb+ joner med en biochips surface ion-fälla chip. Även om protokollet för svällning 171Yb+ joner inte diskuteras specifikt, kan den experimentella inställning som beskrivs i detta dokument också användas att fälla 171Yb+ joner och att manipulera qubit delstaten 171 Yb+ joner att få Rabi svängning resultat (visas i figur 10). Detta kan göras genom att lägga till flera optiska modulatorer i produktionen av lasrar och använda en mikrovågsugn setup, som beskrivs i Kompletterande dokument.
Sammanfattningsvis, kan den experimentella metoder och resultat som presenteras i detta dokument användas att utveckla olika program för quantum information använder surface ion fällor.
The authors have nothing to disclose.
Denna forskning var delvis stöds av ministeriet för vetenskap, IKT, och framtida planering (MSIP), Korea, under den Information Technology Research Center (ITRC) stöder program (IITP-2017-2015-0-00385) och ICT R & D program (10043464, utveckling av Quantum repeater teknik för tillämpning på kommunikationssystem), övervakas av Institute for Information & kommunikation teknik befordran (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 |