[论文解读] Chip-integrated voltage sources for control of trapped ions

J. Stuart, R. Panock+6 more|DSpace@MIT (Massachusetts Institute of Technology)|Oct 16, 2018

Analytical Chemistry and Sensors被引用 10

一句话总结

本文提出首个基于CMOS的高电压数字-模拟转换器（DAC）芯片集成系统，直接嵌入平面电极离子阱的基板中，实现对囚禁离子控制电压的片上生成。该系统通过串行SPI总线对16个DAC进行编程，噪声与速度性能与外部源相当，通过集成静电隔离开关实现超过50 dB的噪声抑制，证明了其在可扩展离子阱量子处理器中的可行性。

ABSTRACT

Trapped-ion quantum information processors offer many advantages for achieving high-fidelity operations on a large number of qubits, but current experiments require bulky external equipment for classical and quantum control of many ions. We demonstrate the cryogenic operation of an ion-trap that incorporates monolithically-integrated high-voltage CMOS electronics ($\pm 8\mathrm{V}$ full swing) to generate surface-electrode control potentials without the need for external, analog voltage sources. A serial bus programs an array of 16 digital-to-analog converters (DACs) within a single chip that apply voltages to segmented electrodes on the chip to control ion motion. Additionally, we present the incorporation of an integrated circuit that uses an analog switch to reduce voltage noise on trap electrodes due to the integrated amplifiers by over $50\mathrm{dB}$. We verify the function of our integrated electronics by performing diagnostics with trapped ions and find noise and speed performance similar to those we observe using external control elements.

研究动机与目标

• 通过将控制电子器件直接集成到离子阱基板中，解决囚禁离子量子处理器的可扩展性挑战。
• 减少离子阱系统对外部体积庞大电压源和互连的依赖。
• 在低温环境下实现与外部源相当的性能，同时最小化面积、功耗和噪声。
• 评估商用CMOS工艺在高电压、低噪声控制电子器件中用于量子系统的可行性。
• 通过控制电路的单片集成，实现未来大规模离子阱架构的构建。

提出的方法

• 将16个高电压CMOS DAC（±8 V满量程）单片集成于平面离子阱表面电极下方的半导体基板中。
• 使用单个芯片的串行SPI总线对全部16个DAC进行编程，减少互连数量和芯片面积。
• 集成具有3.3 kΩ导通电阻的静电隔离开关（EIS），将阱电极上的电压噪声降低超过50 dB。
• 设计192位输入串（每通道12位 × 16个通道），以实现电压更新，带宽受RC时间常数限制。
• 采用受控阻抗布线与端接技术，以在高速数据率下最小化信号反射。
• 在较低金属层中集成10 pF并联电容，以抑制射频泄漏并改善隔离度，保持射频电压耦合到直流电极的幅度低于1%。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否成功将高电压CMOS DAC集成于平面电极离子阱基板中，实现在片上对离子运动的控制？
• RQ2 在低温环境下，片上集成电压源的噪声性能与外部源相比如何？
• RQ3 静电隔离开关的集成如何降低阱电极上的电压噪声？
• RQ4 电压源的最大更新速率是多少？其限制因素是什么？
• RQ5 集成控制系统能否在射频与直流电极之间保持足够的隔离，以维持离子势阱深度？

主要发现

• 片上集成DAC系统的实际电压更新速率最高可达250 kHz，受限于SPI总线中的信号反射。
• 静电隔离开关将阱电极上的电压噪声降低超过50 dB，使其噪声水平与外部源相当。
• 噪声性能测量结果与外部控制元件相似，预计在50 K时异常电场噪声将占主导。
• 当EIS关闭时，系统带宽为1–5 MHz；当EIS打开时，隔离度超过160 dB。
• 集成的10 pF并联电容有效抑制了射频泄漏，使其在直流电极上的耦合电压低于1%。
• DAC占用总面积的15%，证明了其紧凑集成特性，适用于可扩展的阱阵列。