[論文レビュー] Insensitivity of Ion Motional Heating Rate to Trap Material over a Large Temperature Range

John Chiaverini, Jeremy Sage|arXiv (Cornell University)|Oct 16, 2013

Quantum Information and Cryptography参考文献 28被引用数 76

ひとこと要約

本研究では、4 Kから室温の温度範囲で、窒化ガリウムとゴールドの表面電極イオントラップにおいて、基底状態冷却後のサイドバンド比分光法を用いて捕獲イオンの運動加熱率を測定した。加熱率は室温から4 Kに低下するに従い2桁以上減少し、材料間に顕著な差異は認められなかった。これは、異常加熱の主な原因が電極材料に依存しない表面に存在する不純物である可能性を示唆している。

ABSTRACT

We present measurements of trapped-ion motional-state heating rates in niobium and gold surface-electrode ion traps over a range of trap-electrode temperatures from approximately 4 K to room temperature (295 K) in a single apparatus. Using the sideband-ratio technique after resolved-sideband cooling of single ions to the motional ground state, we find low-temperature heating rates more than two orders of magnitude below the room-temperature values and approximately equal to the lowest measured heating rates in similarly-sized cryogenic traps. We find similar behavior in the two very different electrode materials, suggesting that the anomalous heating process is dominated by non-material-specific surface contaminants. Through precise control of the temperature of cryopumping surfaces, we also identify conditions under which elastic collisions with the background gas can lead to an apparent steady heating rate, despite rare collisions.

研究の動機と目的

• 4 Kから300 Kの広い温度範囲で、ニオブiumおよびゴールドの表面電極イオントラップにおける温度依存的イオン運動加熱率を測定すること。
• 異常加熱プロセスが材料に依存するか、あるいは普遍的な表面効果によって支配されているかを特定すること。
• 背景ガスの衝突が見かけの加熱の原因であるかどうかを排除するため、弾性および非弾性衝突率を特徴づけること。
• 低温でガスの冷却吸着が、まれな弾性衝突に起因する定常的加熱に類似した効果を示す条件を同定すること。
• 材料および温度にわたる高精度なデータを提供し、加熱を低減し、フォールトトレランスを有する量子計算を向上させるための材料またはプロセス開発を支援すること。

提案手法

• 3.5 Kから300 Kの温度範囲でトラップ電極温度を制御可能な、振動遮断型の冷却器を備えた低温超高真空(UHV)装置を用いる。
• スパッタリング法で作製したニオブium（2 µm）または熱蒸着法で作製したゴールド（500 nm）の表面電極を有するセグメント化されたプレート型パウルトラップに、1個の88Sr+イオンをキャプチャする。
• パルス駆動による解決されたサイドバンド冷却を実施し、イオンを運動基底状態（n=0）に99%以上の精度で準備する。
• サイドバンド比法を用いて加熱率を測定：遅延時間関数として赤方・青方サイドバンド振幅比を抽出し、平均フォノン数⟨n⟩を算出する。
• RFおよび低周波数の電場ノイズをトラップ周波数近傍で抑制するため、ローパスRCフィルタおよびマルチステージフィルタを適用する。
• 冷却ポンプを用いて背景ガス密度を制御し、Langevinモデルを用いて非弾性衝突率を推定し、イオン損失率を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異常イオン運動加熱率は、ニオブiumとゴールドといったトラップ電極材料に依存するか？
• RQ2 4 Kから室温の範囲で、ニオブiumおよびゴールドのトラップにおける加熱率はどのように温度に依存するか？
• RQ3 背景ガス分子との弾性衝突が、その頻度が低くても見かけの定常的加熱率を生じうるか？
• RQ4 トラップ周波数における電場ノイズの主な原因は、電極材料に依存するものか、それとも電極組成とは独立した表面不純物に起因するか？
• RQ5 低温での背景ガスの冷却吸着が加熱効果を模倣する可能性があり、その場合の条件は何か？

主な発見

• 室温（300 K）から4 Kに低下するに従い、イオン運動加熱率は2桁以上減少し、4 Kでは10−3 Hz未満の値を示した。
• ニオブiumおよびゴールドのトラップにおける加熱率は、全温度範囲にわたりほぼ同一であり、材料依存性は顕著に認められなかった。
• 両材料で測定された最低加熱率は、同程度のサイズの低温トラップで報告された最低値と同等であり、4 Kで< 10−3 Hzに達した。
• 16 Kでは、背景ガスの衝突が弾性衝突に起因して見かけの定常的加熱率を生じるが、非弾性衝突率（推定値：0.6–1.6 s−1）がイオン損失の主な原因である。
• 測定された電場ノイズは、両材料の期待されるジョンソンノイズよりもはるかに低く、これは異常加熱が電極の抵抗損失に起因するものではないことを示している。
• 加熱の温度依存性は熱的に活性化されるプロセスと整合しており、材料依存性の欠如は、表面不純物が異常加熱の主な原因であることを強く示唆している。