[논문 리뷰] Distance scaling of electric-field noise in a surface-electrode ion trap

Jonathon Sedlacek, A. Greene외 5명|DSpace@MIT (Massachusetts Institute of Technology)|2017. 12. 01.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 표면 전극 이온 트랩에서 전기장 노이즈의 거리 스케일링을 다섯 개의 이격된 거리에서 이온을 정렬할 수 있는 다중 영역 설계를 사용하여 측정하였다. 실온(295 K)과 극저온(5 K)에서 전기장 노이즈가 일관되게 d⁻⁴ 스케일링을 보이며, 이는 이론적 모델 중 일부를 배제하고 손실이 있는 유전체 필름 메커니즘의 타당성을 뒷받침한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 스케일러블한 이온 트랩 양자 컴퓨팅을 위한 핵심 요소인 표면 전극 이온 트랩에서 전기장 노이즈의 거리 의존성을 규명하기 위해.
• 비정상적 가열 스케일링이 온도에 따라 변화하는지 여부를 조사하여 경쟁하는 미세 구조 모델을 구분하기 위해.
• 관측된 스케일링의 기원이 기술적 노이즈 원천(예: 배선 유도)인지 확인하여 노이즈가 전극 표면의 내재적 특성임을 보장하기 위해.
• 제안된 비정상적 가열의 미세 구조 모델의 타당성을 실험 데이터와의 예측 스케일링 비교를 통해 검증하기 위해.
• 향후 트랩 설계 및 노이즈 완화 전략을 위한 강력한 온도 및 재료에 민감하지 않은 기준을 제공하기 위해.

제안 방법

• 다섯 개의 이격된 거리에서 이온-전극 간 거리(d)를 정밀하게 제어할 수 있는 다중 영역 표면 전극 트랩을 사용하였다.
• 소수의 진동자수 상태에서 안정적인 측정이 가능한 사이드밴드 비율 및 라비 플롭 기법을 사용하여 이온의 운동 가열률을 측정하였다.
• 노이즈 스케일링의 온도 의존성을 조사하기 위해 295 K와 5 K에서 측정을 수행하였다.
• 전극에 외부 전압 노이즈를 가하여 내재 표면 노이즈와 기술적 노이즈 원천을 구분하였다.
• 노이즈의 주파수 의존성을 분석하여 두 온도에서 거의 1/f 스케일링을 관찰하였다.
• X선 광전자 분광법을 사용하여 전극 표면에 미세한 유전체 필름(예: 탄화수소, 산화물) 존재를 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표면 전극 이온 트랩에서 이온-전극 간 거리 범위에 걸쳐 전기장 노이즈의 거리 스케일링은 어떻게 되는가?
• RQ2 특히 실온과 극저온 조건 사이에서 비정상적 가열 스케일링이 온도에 따라 변화하는가?
• RQ3 관측된 스케일링 법칙은 패치 전위, 광물 분자 이중극자, 또는 두 상태 플럭투에이터와 같은 제안된 비정상적 가열의 미세 구조 모델과 일치하는가?
• RQ4 배선 또는 전원 공급 장치에서 기인하는 기술적 노이즈가 측정된 d⁻⁴ 스케일링을 설명할 수 있는가, 아니면 노이즈는 전극 표면의 내재적 특성에서 기인하는가?
• RQ5 관측된 노이즈의 1/f 주파수 스케일링은 손실이 있는 유전체 필름 또는 두 상태 플럭투에이터와 같은 모델과 일치하는가?

주요 결과

• 전기장 노이즈는 온도에 관계없이 이온-전극 거리에 대해 d⁻⁴ 스케일링을 보이며, 이는 보편적인 스케일링 행동임을 나타낸다.
• 5 K에서 295 K에 비해 가열률이 약 두 개의 주기 감소하였지만, d⁻⁴ 스케일링은 그대로 유지되었다.
• 외부 전압 노이즈를 적용한 결과, 기대하는 d⁻² 스케일링이 관측되어 내재 노이즈가 전극 표면에서 기인하며 기술적 원인은 아님을 확인하였다.
• 노이즈의 주파수 스케일링은 두 온도에서 모두 1/f 행동과 일치하여 주파수 의존성 노이즈 스펙트럼을 가진 모델을 지지한다.
• β = 6(예: 광물 분자 이중극자) 또는 평탄한 주파수 응답을 가지는 β = 4 예측 모델은 데이터에 의해 배제된다.
• 손실이 있는 유전체 필름 모델은 여전히 타당하며, 이는 d⁻⁴ 스케일링과 1/f 주파수 의존성을 모두 예측하고 있으며, 전극 표면에 미세한 유전체 필름 존재를 확인한 XPS 측정 결과에 의해 지지된다.