[論文レビュー] Distance scaling of electric-field noise in a surface-electrode ion trap

Jonathon Sedlacek, A. Greene+5 more|DSpace@MIT (Massachusetts Institute of Technology)|Dec 1, 2017

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、イオンを電極から5つの離隔距離に正確に配置できるマルチゾーン構造を用いて、表面電極イオントラップにおける電場ノイズの距離スケーリングを測定した。室温（295 K）および低温（5 K）の両方で、ノイズが一貫して d⁻⁴ に比例することを確認した。これは、異常加熱を引き起こす可能性のあるいくつかの微視的モデルを除外し、損失を伴う誘電体膜メカニズムの妥当性を支持する。

ABSTRACT

We investigate anomalous ion-motional heating, a limitation to multi-qubit quantum-logic gate fidelity in trapped-ion systems, as a function of ion-electrode separation. Using a multi-zone surface-electrode trap in which ions can be held at five discrete distances from the metal electrodes, we measure power-law dependencies of the electric-field noise experienced by the ion on the ion-electrode distance $d$. We find a scaling of approximately $d^{-4}$ regardless of whether the electrodes are at room temperature or cryogenic temperature, despite the fact that the heating rates are approximately two orders of magnitude smaller in the latter case. Through auxiliary measurements using application of noise to the electrodes, we rule out technical limitations to the measured heating rates and scalings. We also measure frequency scaling of the inherent electric-field noise close to $1/f$ at both temperatures. These measurements eliminate from consideration anomalous-heating models which do not have a $d^{-4}$ distance dependence, including several microscopic models of current interest.

研究の動機と目的

• スケーラブルなイオントラップ量子コンピューティングに不可欠な、表面電極イオントラップにおける電場ノイズの距離依存性を特定すること。
• 異常加熱のスケーリングが温度に依存するかどうかを調査し、これにより競合する微視的モデルを区別できるかを検討すること。
• 測定されたスケーリングの原因が技術的ノイズ源（例：配線のインダクション）であるかどうかを除外し、ノイズが電極表面に起因する内在的要因であることを保証すること。
• 提案された異常加熱の微視的モデルの妥当性を、予測されたスケーリングと実験データを比較することで検証すること。
• 今後のトラップ設計およびノイズ低減戦略のための、温度および材料に依存しない強固なベンチマークを提供すること。

提案手法

• イオン-電極間隔（d）を5つの離散的距離に正確に制御できるマルチゾーン表面電極トラップを用いた。
• サイドバンド比法およびラビフロッピング法を用いて、少数フォノン状態でも安定した測定が可能なイオン運動エネルギーの加熱率を測定した。
• ノイズスケーリングの温度依存性を調査するため、295 Kおよび5 Kの両温度で測定を実施した。
• 電極に外部電圧ノイズを印加することで、内在的表面ノイズと技術的ノイズ源を区別した。
• ノイズの周波数依存性を分析したところ、両温度でほぼ1/fスケーリングであることが判明した。
• X線光電子分光法を用いて、電極表面に薄い誘電体層（例：炭化水素、酸化物）が存在することを確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 表面電極イオントラップにおける電場ノイズの距離スケーリングは、イオン-電極間隔の範囲内でどのように変化するか？
• RQ2 特に室温と低温条件下の間で、異常加熱のスケーリングは変化するか？
• RQ3 測定されたスケーリング則は、パッチポテンシャル、アダトーム双極子、二準位フラクチュエータといった、提案された異常加熱の微視的モデルと整合するか？
• RQ4 測定された d⁻⁴ スケーリングは、配線や電源からの技術的ノイズによって説明可能か、それとも電極表面に起因する内在的ノイズか？
• RQ5 ノイズの1/f周波数スケーリングは、損失を伴う誘電体膜モデルや二準位フラクチュエータモデルと整合するか？

主な発見

• 電場ノイズは、温度にかかわらず、イオン-電極間隔の d⁻⁴ に比例するスケーリングを示し、普遍的な挙動であることを示した。
• 5 Kにおける加熱率は295 Kと比較して約2桁低下したが、d⁻⁴ スケーリングは変化しなかった。
• 外部電圧ノイズの適用により、期待通りの d⁻² スケーリングが観測された。これにより、内在的ノイズが電極表面由来であり、技術的要因由来ではないことが確認された。
• ノイズの周波数依存性は、両温度で1/f行動に近く、周波数依存のノイズスペクトルを持つモデルを支持する。
• β = 6（例：アダトーム双極子）または周波数応答が平坦なβ = 4を予測するモデルは、実験データにより除外された。
• 損失を伴う誘電体膜モデルは、d⁻⁴ スケーリングと1/f周波数依存性の両方を予測でき、XPS測定による電極表面に薄い誘電体層が存在することも裏付けられているため、依然として妥当性を保っている。