[论文解读] A microfabricated surface-electrode ion trap in silicon

J. Britton, D. Leibfried+14 more|ArXiv.org|May 19, 2006

Analytical Chemistry and Sensors参考文献 3被引用 26

一句话总结

本文提出了一种基于深反应离子蚀刻（DRIE）在硅中微纳加工的表面电极离子阱，于体硅衬底上制造平面电极。该阱将 24 Mg+ 离子限制在距表面约 40 µm 的位置，激光散射极低，并实现了长达 12 个离子的线性晶体稳定囚禁，支持可扩展的量子信息处理架构。

ABSTRACT

The prospect of building a quantum information processor underlies many recent advances ion trap fabrication techniques. Potentially, a quantum computer could be constructed from a large array of interconnected ion traps. We report on a micrometer-scale ion trap, fabricated from bulk silicon using micro-electromechanical systems (MEMS) techniques. The trap geometry is relatively simple in that the electrodes lie in a single plane beneath the ions. In such a trap we confine laser-cooled 24Mg+ ions approximately 40 microns above the surface. The fabrication technique and planar electrode geometry together make this approach amenable to scaling up to large trap arrays. In addition we observe that little laser cooling light is scattered by the electrodes.

研究动机与目标

• 开发一种基于体硅制造工艺的可扩展、与 CMOS 兼容的离子阱架构，用于大规模量子信息处理。
• 最小化离子与电极之间的距离以及表面粗糙度，以减少加热并提高相干性。
• 在平面几何结构中实现稳定离子囚禁，同时最小化电极引起的光学散射。
• 实现与片上控制电子电路的集成以及可扩展的阱阵列。
• 评估该阱在量子计算应用中的性能，包括离子寿命和运动态控制。

提出的方法

• 在硼掺杂的硅衬底上使用深反应离子蚀刻（DRIE）技术制造表面电极离子阱，以在单个平面上形成平面电极。
• 利用光刻技术定义电极图案，随后进行贯穿晶圆的蚀刻，以暴露底层表面，从而实现在平面之上的离子囚禁。
• 采用射频（RF）和直流（DC）控制电极生成伪势阱以实现离子囚禁，通过数值优化最小化微运动。
• 在 280 nm 波长下对 24 Mg+ 离子进行激光冷却，激光束以 45° 角入射至阱表面，以实现三个方向上的冷却。
• 通过 CCD 相机进行荧光成像检测离子，高照度条件下信背比 >100:1。
• 采用边界元法进行阱势的数值模拟，并优化电极电压以实现零微运动。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否使用标准 MEMS 技术在体硅中高精度、低表面粗糙度地制造平面单层表面电极离子阱？
• RQ2 硅基阱结构是否能最小化激光散射并实现对囚禁离子的高效激光冷却？
• RQ3 能否通过该制造方法在单个阱中形成稳定、长寿命的最多 12 个离子的线性晶体？
• RQ4 该阱的几何结构与材料选择在多大程度上降低了对量子门保真度至关重要的异常加热速率？
• RQ5 该阱架构是否适合与片上电子电路集成，并可扩展为多个互联阱的大规模阵列？

主要发现

• 该阱成功地将 24 Mg+ 离子稳定囚禁在硅表面约 40 µm 的上方，采用平面电极结构。
• 12 个离子的线性晶体被稳定囚禁，轴向频率为 760 kHz，证实了强轴向囚禁。
• 单个离子的寿命超过一小时，表明加热效应低且系统稳定性高。
• 电极引起的激光冷却光散射极低，在 40× 饱和强度下信背比仍超过 100:1。
• 该制造工艺在电极表面实现了 <1 nm 的均方根表面粗糙度，减少了电场不均匀性。
• 该设计与 CMOS 工艺兼容，支持在单芯片上实现多个可扩展的囚禁区域。