[論文レビュー] Cryogenic silicon surface ion trap

Michael Niedermayr, Kirill Lakhmanskiy+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 20, 2014

Quantum Information and Cryptography参考文献 36被引用数 20

ひとこと要約

本論文では、標準的な半導体プロセスを用いてインテンシブシリコンから作製された低温表面イオントラップを提示する。遮蔽グランドプレーンを必要とせず、低温で動作させることで、超低RF損失と0.33 phonons/sに達するような極めて低いイオン加熱率を実現し、長寿命のイオンとオンチップエレクトロニクスおよびマイクロオプティクスとのスケーラブルな統合を可能にすることで、量子情報処理に貢献する。

ABSTRACT

Trapped ions are pre-eminent candidates for building quantum information processors and quantum simulators. They have been used to demonstrate quantum gates and algorithms, quantum error correction, and basic quantum simulations. However, to realise the full potential of such systems and make scalable trapped-ion quantum computing a reality, there exist a number of practical problems which must be solved. These include tackling the observed high ion-heating rates and creating scalable trap structures which can be simply and reliably produced. Here, we report on cryogenically operated silicon ion traps which can be rapidly and easily fabricated using standard semiconductor technologies. Single $^{40}$Ca$^+$ ions have been trapped and used to characterize the trap operation. Long ion lifetimes were observed with the traps exhibiting heating rates as low as $\dot{\bar{n}}=$ 0.33 phonons/s at an ion-electrode distance of 230 $μ$m. These results open many new avenues to arrays of micro-fabricated ion traps.

研究の動機と目的

• スケーラブルなイオントラップアーキテクチャにおける高いイオン加熱率の課題に対処すること。
• 低温での動作を活用して、室温におけるシリコン基板におけるRFパワー損失を克服すること。
• 遮蔽電極を必要とせず、標準的な半導体技術を用いてスケーラブルで低損失のマイクロファブリケートドイオントラップを実現すること。
• オンチップエレクトロニクス、マイクロオプティクス、センサとの統合を可能にし、量子ラボオンアチップを実現すること。
• VLSIおよび高スループット生産と相性の良い、単純で信頼性の高いプロセスを実証すること。

提案手法

• 高抵抗率のフロートゾーンシリコンウエハー（ρ > 5000 Ω·cm）を用いて平面型表面イオントラップをプロセスした。
• 標準的な光リソグラフィーとディープリアクティブアイアントリエッチングを用い、10 µmのギャップと約100 µmの深さを持つ電極をパターン化した。
• 後処理クリーニングを施さずに、電子ビーム蒸着によりTi/Au電極を堆積した。
• 金属のシリコンへの拡散を防ぐために、熱 thermoxidation（2 µmのSiO₂）を実施した。
• LC共振器（10 Kで20.6 MHz）と容量性分圧器を組み込み、RF電圧のモニタリングを可能にした。
• 4.8 kHzのカットオフ周波数を持つ低温適合DCフィルタ（RCおよび表面実装型）を実装し、DCライン上のRFノイズを抑制した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 遮蔽グランドプレーンを必要とせず、インテンシブシリコンを低温表面イオントラップの基板として使用できるか？
• RQ2 4 Kで動作する低温処理されたインテンシブシリコントラップにおけるイオン加熱率はいかほどか？
• RQ3 標準的な半導体プロセス技術を用いて、スケーラブルで低損失のイオントラップを製造できるか？
• RQ4 低温での動作がシリコンベースのトラップにおけるRF損失とイオン加熱をどのように低減するか？
• RQ5 グランドプレーンを排除することで、オンチップエレクトロニクスおよびオプティクスの統合はどの程度可能になるか？

主な発見

• イオン電極間距離230 µmで、記録的な低加熱率0.33 phonons/秒を達成した。
• 40Ca⁺イオンが安定してトラップされ、その特性が評価され、低温下での長寿命を実証した。
• 遮蔽グランドプレーンが存在しないため、プロセスが簡素化され、通孔バンクおよびマイクロオプティカル構造と完全に互換性を示した。
• 4 Kでインテンシブシリコンを使用したことで、キャリアの凍結によりRF損失が無視できるほど小さくなり、ドーピングシリコンや遮蔽の必要性が排除された。
• 10 Kで20.6 MHzで動作するLC共振器は、RF電圧測定に適したQファクターを示した。
• 4.8 kHzのカットオフ周波数を持つ低温適合DCフィルタは、DCライン上のRFノイズを効果的に抑制し、安定したトラップ動作を確保した。