[논문 리뷰] Microfabrication techniques for trapped ion quantum information processing

D. J. Wineland|arXiv (Cornell University)|2010. 08. 12.

Mechanical and Optical Resonators참고 문헌 144인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 스케일러블한 트랩된 이온 양자 정보 처리를 위한 붕소 도핑된 실리콘을 기반으로 한 마이크로패터닝된 이온 트랩을 제시하며, 분할된 마이크로트랩에서 이온의 적재 및 이동을 실험적으로 구현한다. 또한 위상 이동 결합을 통한 RF 용량 냉각을 통해 마이크로기계 진동자(마이크로오실레이터)를 45 K로 냉각하였으며, 이는 거대계의 기본 상태 냉각으로 나아가는 단계이다. 또한, 삼이온 양자 푸리에 변환을 실현하여 스케일러블한 이온 트랩 양자컴퓨팅 아키텍처의 핵심 구성 요소를 검증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 대규모 트랩된 이온 양자 정보 처리를 위한 실리콘 기반 기술을 활용한 스케일러블한 마이크로패터닝된 이온 트랩 개발
• RF 포텐셜 및 외부 원인에 의한 이온 운동 모드의 가열 현상에 대한 연구 및 완화 전략 개발
• RF 용량 결합을 통한 거대계 기계 진동자의 냉각을 실현하고, 기본 상태 냉각으로 나아가는 길을 모색
• 스케일러러블한 양자 아키텍처의 기준으로 삼기 위해, 세 개의 베릴륨 이온 큐비트를 사용한 양자 푸리에 변환(QFT)의 구현 및 검증
• 이온 트랩 제작 및 특성 분석을 위한 상세한 비전문가 친화적 마이크로패터닝 지침 제공

제안 방법

• 이온의 고정 및 이동을 위한 다중 영역 전극 구조를 갖춘 붕소 도핑 실리콘 웨이퍼를 사용해 마이크로트랩을 제작
• 이온 운동을 모델링하기 위해 가짜 포텐셜 근사를 적용하여 안정된 트랩 기하구조 설계 가능
• 마이크로기계 캔틸레버와 구동된 공진 회로 사이의 RF 용량 결합을 통해 위상 이동된 힘을 적용하여 냉각 구현
• 마이크로트랩에서 24 Mg+ 이온을 이용한 이온 적재 및 이동 실험 수행으로 트랩의 기능성 검증
• 세 개의 9Be+ 이온을 사용한 양자 푸리에 변환(QFT)을 실현하며 얽힘과 단일 큐비트 연산 통합
• 이온 가열 속도의 상한을 측정하여 트랩 성능 특성 분석하고, RF 포텐셜 노이즈가 주요 노이즈 원인임을 규명

실험 결과

연구 질문

• RQ1 마이크로패터닝된 실리콘 기반 이온 트랩은 스케일러블한 이온 이동 및 양자 게이트 연산을 안정적으로 지원할 수 있는가?
• RQ2 마이크로패터닝된 트랩 내 이온 운동 모드에서의 주요 가열 원인은 무엇이며, 이를 완화할 수 있는가?
• RQ3 RF 용량 결합을 통해 거대계 기계 진동자를 낮은 온도로 냉각할 수 있는가, 기본 상태에 가까운 상태로 접근 가능한가?
• RQ4 삼이온 양자 푸리에 변환은 마이크로패터닝된 트랩 아키텍처에서 성공적으로 실현될 수 있는가, 이는 스케일러비리티를 입증하는가?
• RQ5 기능적인 이온 트랩을 제작하기 위해 비전문가가 접근 가능하고 효과적인 실용적 마이크로패터닝 기술은 무엇인가?

주요 결과

• 붕소 도핑 실리콘으로 제작된 마이크로트랩에서 이온의 적재 및 이동이 성공적으로 구현되어 분할 전극 설계의 기능성 확인
• 이온 가열 속도의 상한을 측정하였지만, 특히 RF 포텐셜 변동에 기인한 외부 노이즈가 원인일 가능성이 완전히 배제되지 않음
• 마이크로기계 캔틸레버의 7 kHz 기본 모드가 위상 이동된 힘을 적용한 RF 용량 결합을 통해 실온에서 45 K로 냉각됨
• 냉각 메커니즘은 운동 에너지를 추출하는 위상 이동된 RF 용량 힘에 기반하며, 거대계 진동자의 기본 상태 냉각으로 나아가는 실현 가능한 길을 보여줌
• 세 개의 9Be+ 이온을 사용한 양자 푸리에 변환(QFT)이 성공적으로 실현되어 스케일러블한 이온 트랩 양자컴퓨팅 아키텍처의 핵심 요소 검증
• 와이어 봉제 및 수지 침투 다이아몬드 칼날을 사용한 다이싱 등의 마이크로패터닝 기술이 트랩 제작 및 특성 분석에 성공적으로 적용되었으며, 실리콘 웨이퍼에 금 와이어를 봉제하기 위한 봉제 파arameter 최적화 수행