[논문 리뷰] In-Vacuum Electronics for Microfabricated Ion Traps

Nicholas D. Guise, Spencer D. Fallek외 10명|arXiv (Cornell University)|2014. 03. 14.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 16인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 78개의 전극을 제어하기 위해 필요한 진공 피드스루 수를 78개에서 단 9개로 줄이는 진공 내부 디지털-아날로그 변환기(DAC) 시스템을 제시한다. 이는 78개 전극을 갖는 마이크로패터닝된 이온 트랩을 완전히 제어할 수 있도록 하며, 외부 DAC 시스템과 동등한 이온 포획, 축 방향 모드 안정성, 그리고 이동 정밀도를 달성한다. 이는 초고진공 환경에서 스케일러블하고 컴팩트한 양자 제어를 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 전극 수가 증가함에 따라 복잡한 마이크로패터닝된 이온 트랩을 위한 진공 피드스루 수가 증가하는 문제를 해결한다.
• 고채널 수의 이온 트랩을 제어하기 위해 필요한 진공 피드스루 수를 줄여 스케일러비리티를 제한하고 시스템의 부피를 증가시키는 문제를 해결한다.
• 외부 DAC에 의존하지 않고도 이온 포획 및 제어 성능을 유지하는 진공 내부 DAC 시스템을 개발한다.
• 진공 챔버 내부에 DAC 기능을 통합하여 다중 전극 이온 트랩의 컴팩트하고 스케일러블하며 신뢰성 있는 제어를 가능하게 한다.

제안 방법

• 외부 DAC를 대체하기 위해 디지털-아날로그 변환 기능을 직접 진공 챔버 내부에 통합하여 고유의 진공 내부 DAC 시스템을 설계 및 구현한다.
• 9개의 진공 피드스루를 통해 직렬 또는 병렬 데이터 인코딩 방식으로 78개 전극의 제어 신호를 전송하는 멀티플렉스 아키텍처를 사용한다.
• 마이크로패터닝된 이온 트랩 전극과 DAC 시스템을 통합하여 포획 잠재 에너지의 정밀한 전압 제어를 가능하게 한다.
• 단일 및 다중 40Ca+ 이온을 사용하여 시스템 성능을 특성화하고 축 방향 모드 안정성, 이온 가열 속도, 이동 정밀도를 평가한다.
• 표준 외부 National Instruments PXI-6733 DAC 시스템과의 성능 지표(가열 속도, 안정성, 정밀도)를 비교한다.
• 기밀성 보장된 진공 호환 성능을 갖춘 구성 요소와 재료를 사용하여 초고진공 환경과의 호환성을 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 78개 전극을 갖는 마이크로패터닝된 이온 트랩을 제어하기 위해 필요한 진공 피드스루 수를 78개에서 9개로 줄일 수 있는가?
• RQ2 진공 내부 DAC 시스템은 외부 DAC 시스템과 동등한 이온 포획 안정성과 낮은 가열 속도를 유지하는가?
• RQ3 진공 내부 DAC 시스템에 의해 제어되는 포획된 40Ca+ 이온의 이동 정밀도는 얼마인가?
• RQ4 진공 내부 운영 조건에서 축 방향 모드 안정성과 이온 가속도 속도 측정에서 시스템 성능은 어떠한가?
• RQ5 진공 내부 DAC 시스템은 양자 제어 정밀도를 훼손하지 않고 스케일러블한 다중 영역 이온 트랩 아키텍처를 지원할 수 있는가?

주요 결과

• 진공 내부 DAC 시스템은 마이크로패터닝된 이온 트랩의 78개 전극을 단 9개의 진공 피드스루만으로 성공적으로 제어한다.
• 포획된 이온 시스템의 축 방향 모드 안정성은 외부 PXI-6733 DAC로 달성된 수준과 유사하여 추가 노이즈나 불안정성이 최소화됨을 시사한다.
• 측정된 이온 가속도 속도는 외부 DAC 시스템에서 관측된 범위와 동일하여 낮은 노이즈 성능을 확인한다.
• 실험 테스트에서 이온 이동 정밀도는 99%를 초과하여 양자정보 처리에 적합한 고정밀 제어를 나타낸다.
• 시스템은 장기간에 걸쳐 안정적인 이온 포획을 유지하여 장기적인 양자 실험에 대한 신뢰성을 검증한다.
• 안정성, 가속도 속도, 정밀도 등의 성능 지표는 진공 내부 DAC가 핵심 양자 제어 매개변수에서 외부 DAC 솔루션과 기능적으로 동일한 성능을 보임을 입증한다.