[論文レビュー] A microfabricated surface-electrode ion trap in silicon

J. Britton, D. Leibfried+14 more|ArXiv.org|May 19, 2006

Analytical Chemistry and Sensors参考文献 3被引用数 26

ひとこと要約

本論文では、深掘り反応イオンエッチング（DRIE）を用いてボトムシリコンウェーパー上に平面電極を形成する、シリコンを用いたマイクロファブリケートド表面電極イオントラップを提示する。このトラップは、表面から約40 µm上方に24 Mg+イオンを閉じ込め、レーザー散乱を低減し、線形結晶として最大12個のイオンを安定して閉じ込めることが可能であり、スケーラブルな量子情報処理アーキテクチャを実現する。

ABSTRACT

The prospect of building a quantum information processor underlies many recent advances ion trap fabrication techniques. Potentially, a quantum computer could be constructed from a large array of interconnected ion traps. We report on a micrometer-scale ion trap, fabricated from bulk silicon using micro-electromechanical systems (MEMS) techniques. The trap geometry is relatively simple in that the electrodes lie in a single plane beneath the ions. In such a trap we confine laser-cooled 24Mg+ ions approximately 40 microns above the surface. The fabrication technique and planar electrode geometry together make this approach amenable to scaling up to large trap arrays. In addition we observe that little laser cooling light is scattered by the electrodes.

研究の動機と目的

• 大規模な量子情報処理のため、バルクシリコンプロセスを用いたスケーラブルでCMOS互換性のあるイオントラップアーキテクチャの開発。
• イオン-電極間距離と表面粗さを最小限に抑えることで、加熱を低減し、コherencesを向上させる。
• 最小限の光学的散乱を伴う平面幾何学的構造で、安定したイオン閉じ込めを実現する。
• オンチップ制御エレクトロニクスおよびスケーラブルなトラップアレイへの統合を可能にする。
• イオントラップの性能を、イオンの寿命や運動状態制御を含め、量子コンピューティングアプリケーションの観点から評価する。

提案手法

• ボロンドープシリコンウェーパーを用い、深掘り反応イオンエッチング（DRIE）により単一平面内に平面電極を形成する表面電極イオントラップのプロセス。
• フォトレジストを用いた電極パターンの定義後、ウェーパーを貫通するエッチングを実施し、下部表面を露出させ、電極平面の上にイオンを閉じ込める。
• RFおよびDC制御電極を用いて擬似ポテンシャル井戸を生成し、イオンを閉じ込める。微小振動は数値最適化により最小限に抑える。
• 280 nmのレーザーを用いた24 Mg+イオンの冷却。冷却ビームをトラップ表面に対して45°の角度で入射させ、3軸方向の冷却を実現。
• CCDカメラを用いた蛍光イメージングによるイオン検出。高強度照明下でも信号対背景比が100:1以上を達成。
• 境界要素法を用いたトラップポテンシャルの数値シミュレーションと、微小振動をゼロに近づけるための電極電圧最適化。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準的なMEMS技術を用いて、高精度かつ低表面粗さで、バルクシリコンに単一層の表面電極イオントラップをファブリケート可能か？
• RQ2 シリコンベースのトラップ幾何学的構造は、レーザー散乱を低減し、捕らえられたイオンの効率的冷却を可能にするか？
• RQ3 このプロセスアプローチを用いて、最大12個のイオンからなる安定的かつ長寿命のイオン結晶を1つのトラップで形成可能か？
• RQ4 トラップ幾何学的構造および材料選択が、量子ゲートの忠実度に重要な異常加熱率をどれほど低減するか？
• RQ5 このトラップアーキテクチャは、オンチップエレクトロニクスへの統合および相互接続された大規模なトラップアレイへのスケーリングに適しているか？

主な発見

• 平面電極幾何学を用いて、シリコン表面から約40 µm上方に24 Mg+イオンを安定して閉じ込めることに成功した。
• 12個のイオンが線形結晶として安定して閉じ込められ、軸方向振動数は760 kHzであり、強い軸方向閉じ込めが確認された。
• 単一イオンの寿命は1時間を超えており、加熱が低く安定した状態であることが示された。
• 電極からのレーザー冷却光の散乱は最小限に抑えられ、40×飽和強度でも信号対背景比が100:1を超えた。
• プロセスにより、電極表面のRMS表面粗さが1 nm未満に達成され、電場不均一性が低減した。
• 設計はCMOSプロセスと互換性があり、1チップ上に複数のトラップゾーンをスケーラブルに統合可能である。