[論文レビュー] Phoenix and Peregrine Ion Traps

Melissa Revelle|arXiv (Cornell University)|Sep 4, 2020

Analytical Chemistry and SensorsChemical Engineering参考文献 2被引用数 17

ひとこと要約

本論文では、スケーラブルな量子情報処理を目的としたマイクロフォーミングされた表面電極イオントラップであるPhoenixおよびPeregrineを提案する。CMOS互換プロセスを用いてサンディアのHigh Optical Access（HOA）プラットフォーム上でプロセスされた本トラップは、セグメンテッド制御電極、統合された加熱/温度センシング、最適化されたrf効率を特徴としている。主な貢献は、正確なイオン制御と量子コンピューティングのテストベッドとの互換性を実現するスケーラブルで高光学的アクセスを有するトラップアーキテクチャの構築である。

ABSTRACT

The Phoenix and Peregrine ion traps are micro-fabricated surface-electrode ion traps based on silicon technology. Both are linear traps using a symmetric 6-rail design with segmented inner and outer control electrodes. The traps are fabricated on Sandia's High Optical Access (HOA) platform to provide good optical access skimming the trap surface. They are packaged in custom ceramic pin or land grid array packages using a 2.54 mm pitch. The Peregrine trap is a surface trap with all electrodes in one plane. The Phoenix trap has the same layout, but with a central through-substrate slot and its inner control electrodes are at a lower metal level. Both traps provide means to measure the substrate temperature and to heat the device by means of integrated aluminum and tungsten wires.

研究の動機と目的

• CMOS技術を用いたスケーラブルでマイクロフォーミングされたイオントラップの開発。
• トラップ表面をスキャンするレーザー光ビームまたは中央スロットを通過する光ビームのための高光学的アクセスの実現。
• 内側および外側のセグメンテッド制御電極による完全な自由度を有するイオン運動の正確な制御。
• 特に低温環境下での安定動作を実現するためのrf損失と熱負荷の低減。
• オンチップ温度センシングおよび抵抗性加熱を統合したイン・サイト熱管理の実現。

提案手法

• シリコン基板上にセグメンテッド内側および外側制御電極を備えた対称的6レール線形トラップレイアウトの設計。
• Phoenixトラップにおける基板貫通スロットを用いた垂直光学的アクセスの実現（数値的開口率0.25）。
• 6層金属を用いたサンディアのHOAプラットフォーム上でのプロセス。内側制御電極は、イオンの摂動を低減するため下位金属層（M3）に配置。
• 局所的加熱および温度センシングのためのアルミおよびタントラム抵抗ワイヤーの統合。
• すべてのdc制御電極に溝キャパシタを実装し、rfグランドインピーダンスを確保するとともにリーク電流を低減。
• 疑似逆行列および非線形最適化を用いた電圧ソリューションアレイの開発により、イオンの移送、回転、補償のための正確な静電ポテンシャルを生成。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マイクロフォーミングされた表面電極イオントラップは、高光学的アクセスと最小限のrf損失を実現するためにどのように最適化できるか？
• RQ2 遷移領域において一定のトラップ条件を維持するためのイオンの安定した移送を可能にする設計的特徴は何か？
• RQ3 コンactなCMOS互換トラップアーキテクチャにおいて、統合された加熱および温度センシングを効果的に実装する方法は何か？
• RQ4 セグメンテッド制御電極は、線形トラップ構成においてイオン運動の完全な制御を達成するのにどの程度有効か？
• RQ5 rf電圧効率、軸方向および径方向のトラップ周波数、光学的アクセスの観点から、本トラップ設計はどのように比較されるか？

主な発見

• Phoenixトラップは、中央の基板貫通スロットを介して垂直光学的アクセスを実現し、数値的開口率0.25を達成しており、トラップ表面に垂直な高NAビーム供給が可能である。
• Peregrineトラップは、表面をスキャンするビームに対して数値的開口率0.11、45°方向では0.08を達成しており、高精度なレーザー制御を支援する。
• 軸方向トラップ周波数と径方向周波数の比が最大で8%であるため、ゲート忠実度に優れたバランスを示している。
• dc電極に溝キャパシタを設けることで、リーク電流が10 nA（±10 V時）に低減され、高容量（0.8 nF）と並列インダクタンス約50 pHを実現した。
• Phoenixトラップのイオン高さはスロット部で68 μm、表面部で72 μmであり、Peregrineトラップは一貫して74 μmの高さを維持している。
• 100本の信号接続と94本の制御電圧をサポートする2.54 mmピッチのカスタムセラミックランドグリッドアレイ（LGA）またはピングリッドアレイ（CPGA）パッケージに実装されている。