[論文レビュー] In-Vacuum Electronics for Microfabricated Ion Traps

Nicholas D. Guise, Spencer D. Fallek+10 more|arXiv (Cornell University)|Mar 14, 2014

Quantum Information and Cryptography参考文献 16被引用数 1

ひとこと要約

本論文では、78本の真空給電部をわずか9本に削減しながら、78電極のマイクロフォーエイテッドイオントラップを完全に制御可能な、真空中に統合されたデジタル・アナログコンバータ（DAC）システムを提案する。このシステムは、外部DACシステムと同等のイオントラップ、軸方向モードの安定性、およびトランスポート忠実度を達成しており、超高真空環境におけるスケーラブルでコンactな量子制御を可能にする。

ABSTRACT

The advent of microfabricated ion traps for the quantum information community has allowed research groups to build traps that incorporate an unprecedented number of trapping zones. However, as device complexity has grown, the number of digital-to-analog converter (DAC) channels needed to control these devices has grown as well, with some of the largest trap assemblies now requiring nearly one hundred DAC channels. Providing electrical connections for these channels into a vacuum chamber can be bulky and difficult to scale beyond the current numbers of trap electrodes. This paper reports on the development and testing of an in-vacuum DAC system that uses only 9 vacuum feedthrough connections to control a 78-electrode microfabricated ion trap. The system is characterized by trapping single and multiple 40Ca ions. The measured axial mode stability, ion heating rates, and transport fidelities for a trapped ion are comparable to systems with external (air-side) National Instruments PXI-6733 DACs.

研究の動機と目的

• 電極数の増加に伴い、複雑なマイクロフォーエイテッドイオントラップに必要な真空給電部のスケーリングの課題に対処すること。
• 高チャンネル数のイオントラップを制御するために必要な真空給電部の数を削減し、スケーラビリティの制限を緩和するとともに、システムの大型化を低減すること。
• 外部DACに依存せずに、イオントラップおよび制御における高い性能を維持する真空中DACシステムを開発すること。
• DAC機能を真空チャンバ内に統合することで、マルチエレクトロードイオントラップのコンパクトでスケーラブルかつ信頼性の高い制御を実現すること。

提案手法

• 外部DACを置き換えるために、真空チャンバ内に直接デジタル・アナログ変換を統合した、カスタム真空中DACシステムを設計および実装すること。
• 9本の真空給電部を用いた多重化アーキテクチャにより、シリアルまたはパラレルデータ符号化を介して78電極の制御信号を送信すること。
• マイクロフォーエイテッドイオントラップの電極とDACシステムを統合し、トラップポテンシャルの正確な電圧制御を可能にすること。
• 単一および複数の40Ca+イオンを用いた性能評価により、軸方向モードの安定性、イオン加熱率、およびトランスポート忠実度を評価すること。
• 標準的な外部National Instruments PXI-6733 DACシステムと比較して、性能指標（加熱率、安定性、忠実度）を評価すること。
• 気密性の高い、真空環境に適した部品および材料を用いることで、超高真空環境との適合性を確保すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 真空中DACシステムは、78電極のマイクロフォーエイテッドイオントラップを制御するために必要な真空給電部を78本から9本に削減できるか？
• RQ2 真空中DACシステムは、外部DACシステムと同等のイオントラップ安定性および低加熱率を維持できるか？
• RQ3 真空中DACシステムによって制御されるトラップされた40Ca+イオンのトランスポート忠実度はいかほどか？
• RQ4 真空中運用下での軸方向モードの安定性およびイオン加熱率に関して、このシステムの性能はいかがであるか？
• RQ5 真空中DACシステムは、量子制御忠実度を損なわずに、スケーラブルでマルチゾーンのイオントラップアーキテクチャをサポートできるか？

主な発見

• 真空中DACシステムは、78電極のマイクロフォーエイテッドイオントラップを、わずか9本の真空給電部を用いて正常に制御できた。
• 外部PXI-6733 DACと同等の軸方向モード安定性が達成されており、追加のノイズや不安定性が最小限であることが示された。
• 測定されたイオン加熱率は、外部DACと同等の範囲内にあり、低ノイズ性能が確認された。
• 実験的テストでは、イオントランスポート忠実度が99％を超えており、量子情報処理に適した高忠実度制御が実現された。
• 長時間にわたり安定したイオントラップが維持されたことから、長時間の量子実験に耐える信頼性が裏付けられた。
• 安定性、加熱率、忠実度といった性能指標は、真空中DACが、量子制御の重要なパrameterにおいて外部DACソリューションと同等に機能することを示した。