[論文レビュー] Microfabrication techniques for trapped ion quantum information processing

D. J. Wineland|arXiv (Cornell University)|Aug 12, 2010

Mechanical and Optical Resonators参考文献 144被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、スケーラブルな捕獲イオン量子情報処理を目的として、ホウ素ドープシリコンを用いたマイクロファブリケートドイオントラップを提示し、セグメンテッドマイクロトラップにおけるイオンのローディングと輸送を実証した。RF容量結合を用いて位相シフトを加えることで、マイクロメカニカルオシレーターを45 Kまで冷却し、巨視的系の基底状態冷却への一歩を示した。また、3イオン量子フーリエ変換を実装し、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アーキテクチャの主要要素を検証した。

ABSTRACT

Quantum-mechanical principles can be used to process information (QIP). In one approach, linear arrays of trapped, laser cooled ion qubits (two-level quantum systems) are confined in segmented multi-zone electrode structures. The ion trap approach to QIP requires trapping and control of numerous ions in electrode structures with many trapping zones. I investigated microfabrication of structures to trap, transport and couple large numbers of ions. Using 24Mg+ I demonstrated loading and transport between zones in microtraps made of boron doped silicon. This thesis describes the fundamentals of ion trapping, the characteristics of silicon-based traps amenable to QIP work and apparatus to trap ions and characterize traps. Microfabrication instructions appropriate for nonexperts are included. Ion motional heating was measured. <<>> Using MEMs techniques I built a Si micro-mechanical oscillator and demonstrated a method to reduce the kinetic energy of its lowest order mechanical mode via capacitive coupling to a driven radio frequency (RF) oscillator. Cooling resulted from a RF capacitive force, phase shifted relative to the cantilever motion. The technique was demonstrated by cooling the 7 kHz fundamental mode from room temperature to 45 K. <<>> I also discuss an implementation of the semiclassical quantum Fourier transform (QFT) using three beryllium ion qubits. The QFT is a crucial step in a number of quantum algorithms including Shor's algorithm, a quantum approach to integer factorization which is exponentially faster than the fastest known classical factoring algorithm. This demonstration incorporated the key elements of a scalable ion-trap architecture for QIP.

研究の動機と目的

• 大規模な捕獲イオン量子情報処理のため、シリコンベース技術を用いたスケーラブルなマイクロファブリケートドイオントラップの開発。
• RFポテンシャルおよび外部要因に起因するノイズによるイオン運動モードの加熱を調査し、その低減を試みる。
• RF容量結合を用いて巨視的マイクロメカニカルオシレーターを冷却し、基底状態冷却への道筋を示すこと。
• 3個のベリリウムイオンキュービットを用いたセミクラシカル量子フーリエ変換（QFT）の実装と検証を行い、スケーラブルな量子アーキテクチャのベンチマークとする。
• イオントラップの構築と特性評価に向けた、非専門家にも理解可能な詳細なマイクロファブリケーション手順の提供。

提案手法

• イオンの閉じ込めと輸送を可能にするセグメンテッドマルチゾーン電極構造を有するホウ素ドープシリコンウェーハを用いてマイクロトラップをファブリケートした。
• イオンのダイナミクスをモデリングするための擬似ポテンシャル近似を用い、安定したトラップジオメトリの設計を可能にした。
• マイクロメカニカルキャニーバーと駆動された共振回路との間のRF容量結合を用い、位相シフトを加えた力による冷却を実施した。
• マイクロトラップ内での24 Mg+イオンのローディングと輸送実験を実施し、トラップ機能の妥当性を検証した。
• 3個の9Be+イオンを用いたセミクラシカル量子フーリエ変換（QFT）を実装し、エンタングルメントと単一キュービット操作を統合した。
• イオン加熱レートの上限値を測定することでトラップの性能を特徴付け、RFポテンシャルノイズが主なノイズ源であると特定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マイクロファブリケートドシリコンベースのイオントラップは、スケーラブルなイオン輸送および量子ゲート操作を安定的に行うことができるか？
• RQ2 マイクロファブリケートドトラップ内におけるイオン運動モードの加熱の主な要因は何か？ また、それらは低減可能か？
• RQ3 RF容量結合を用いて巨視的メカニカルオシレーターを低温まで冷却でき、基底状態に近づけるか？
• RQ4 マイクロファブリケートドトラップアーキテクチャ内で3イオン量子フーリエ変換を成功裏に実装できるか？ これによりスケーラビリティが示せるか？
• RQ5 非専門家が実用的かつ効果的に機能するイオントラップを構築するために、どのようなマイクロファブリケーション技術が利用可能で有効か？

主な発見

• ホウ素ドープシリコンからファブリケートされたマイクロトラップにおいて、イオンのローディングと輸送が成功裏に実証され、セグメンテッド電極構造の機能性が確認された。
• イオン加熱レートの上限値が測定されたが、特にRFポテンシャルのフラクチュエーションに起因する外部ノイズが完全に除外できない状況であった。
• マイクロメカニカルキャニーバーの7 kHz基本モードが、位相シフトを加えたRF容量結合を用いて室温から45 Kまで冷却された。
• 冷却機構は、位相シフトを加えたRF容量力によって運動エネルギーを抽出するものであり、巨視的オシレーターの基底状態冷却への実現可能性を示す有効な道筋を示した。
• 3個の9Be+イオンを用いたセミクラシカル量子フーリエ変換が実装され、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アーキテクチャの主要要素が検証された。
• ワイヤーボンディングおよびレジン含浸ダイヤモンドブレードを用いたダイシングを含むマイクロファブリケーション技術が、トラップの構築と特性評価に成功し、金ワイヤーのシリコンウェーハへのボンディングパラメータが最適化された。