[논문 리뷰] Phoenix and Peregrine Ion Traps

Melissa Revelle|arXiv (Cornell University)|2020. 09. 04.

Analytical Chemistry and SensorsChemical Engineering참고 문헌 2인용 수 17

한 줄 요약

이 논문은 확장 가능한 양자 정보 처리를 위한 마이크로fabricated 표면 전극 이온 트랩인 Phoenix와 Peregrine을 제시한다. CMOS 호환 공정을 사용해 샌디아의 고광학 접근성(HOA) 플랫폼에 제작된 이 트랩들은 분할된 제어 전극, 통합된 가열/온도 센서, 최적화된 RF 효율성을 특징으로 한다. 주요 기여는 정밀한 이온 제어와 양자 컴퓨팅 테스트베드와의 호환성을 가능하게 하는 확장 가능한 고광학 접근성 트랩 아키텍처이다.

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.

연구 동기 및 목표

• CMOS 기술을 사용해 확장 가능한 마이크로fabricated 이온 트랩을 개발하여 양자 정보 처리에 적합하게 한다.
• 레이저 빔이 트랩 표면을 스치거나 중심 슬롯을 통과하는 데 높은 광학 접근성을 보장한다.
• 전체 자유도를 갖춘 분할된 내부 및 외부 제어 전극을 통해 이온 운동을 정밀하게 제어한다.
• 특히 초저온 조건에서 안정된 작동을 위해 RF 손실과 열 부하를 최소화한다.
• 현장 내에서의 열 관리를 위한 칩 내 온도 센서 및 저항성 가열을 통합한다.

제안 방법

• 실리콘 기판 위에 대칭적인 6레일 선형 트랩 레이아웃을 설계하고, 분할된 내부 및 외부 제어 전극을 포함한다.
• Phoenix 트랩에서 기판을 관통하는 슬롯을 사용해 수직 광학 접근성을 확보하고, 수치적 비율(Numerical Aperture)을 0.25로 설정한다.
• 6개의 금속 레이어를 사용해 샌디아의 HOA 플랫폼에서 제조하며, 내부 제어 전극은 이온의 왜곡을 줄이기 위해 낮은 금속 레이어(M3)에 위치시킨다.
• 국소적 가열과 온도 센서를 위한 알루미늄 및 tungsten 저항성 와이어를 통합한다.
• 모든 DC 제어 전극에 트렌치 커패시터를 구현해 RF 접지 기능을 확보하고 누설 전류를 감소시킨다.
• 역행렬과 비선형 최적화를 사용해 전압 솔루션 배열을 개발하여 이동, 회전, 보정을 위한 정밀한 전기적 잠재력을 생성한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 마이크로fabricated 표면 전극 이온 트랩은 어떻게 고광학 접근성과 최소한의 RF 손실을 달성하기 위해 최적화될 수 있는가?
• RQ2 전이 영역에서 일정한 트랩 조건을 유지하면서 안정적인 이온 이동을 가능하게 하는 설계 특징는 무엇인가?
• RQ3 작고 CMOS 호환성 있는 트랩 아키텍처에서 통합된 가열 및 온도 센서를 효과적으로 구현하는 방법은 무엇인가?
• RQ4 분할된 제어 전극은 선형 트랩 구성에서 이온 운동을 완전히 제어하는 데 얼마나 효과적인가?
• RQ5 RF 전압 효율성, 축 방향 및 반경 방향 트랩 주파수, 광학 접근성 측면에서 트랩 설계는 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• Phoenix 트랩은 중심 기판 관통 슬롯 덕분에 수직 광학 접근성에 대해 수치적 비율(Numerical Aperture) 0.25를 달성하여 트랩 표면에 수직으로 들어오는 고비율(Numerical Aperture) 레이저 빔 제공이 가능하다.
• Peregrine 트랩은 표면을 스치는 빔에 대해 수치적 비율 0.11, 45° 각도에서 0.08를 제공하여 고정밀 레이저 제어를 지원한다.
• 축 방향 트랩 주파수 대비 반경 방향 주파수의 최대 비율이 8%로 나타나 게이트 정밀도를 위해 양호한 균형을 이룹니다.
• DC 전극에 트렌치 커패시터를 사용함으로써 낮은 누설 전류(±10 V에서 10 nA)와 높은 커패시턴스(0.8 nF)를 확보하였고, 직렬 인덕턴스는 약 50 pH이다.
• Phoenix 트랩의 이온 높이는 슬롯 영역에서 68 μm, 표면 영역에서 72 μm이며, Peregrine 트랩은 일관된 74 μm의 높이를 유지한다.
• 트랩들은 2.54 mm 피치를 갖는 커스터마이즈된 세라믹 랜드 격자 배열(LGA) 또는 핀 격자 배열(CPGA) 패ack지에 포함되며, 100개의 신호 연결과 94개의 제어 전압을 지원한다.