[论文解读] Insensitivity of Ion Motional Heating Rate to Trap Material over a Large Temperature Range

John Chiaverini, Jeremy Sage|arXiv (Cornell University)|Oct 16, 2013

Quantum Information and Cryptography参考文献 28被引用 76

一句话总结

本研究通过在基态冷却后使用边带比光谱法，测量了在4 K至室温范围内，铌和金表面电极离子阱中俘获离子的运动加热速率。结果发现，从室温到4 K，加热速率降低了两个多数量级，且两种材料之间无显著差异，表明异常加热的主要来源是非材料特异性的表面污染物，而非电极材料本身。

ABSTRACT

We present measurements of trapped-ion motional-state heating rates in niobium and gold surface-electrode ion traps over a range of trap-electrode temperatures from approximately 4 K to room temperature (295 K) in a single apparatus. Using the sideband-ratio technique after resolved-sideband cooling of single ions to the motional ground state, we find low-temperature heating rates more than two orders of magnitude below the room-temperature values and approximately equal to the lowest measured heating rates in similarly-sized cryogenic traps. We find similar behavior in the two very different electrode materials, suggesting that the anomalous heating process is dominated by non-material-specific surface contaminants. Through precise control of the temperature of cryopumping surfaces, we also identify conditions under which elastic collisions with the background gas can lead to an apparent steady heating rate, despite rare collisions.

研究动机与目标

• 测量在宽温度范围（4 K至300 K）内，铌和金表面电极离子阱中温度依赖的离子运动加热速率。
• 确定异常加热过程是否依赖于材料，或受普遍表面效应支配。
• 通过表征弹性与非弹性碰撞速率，排除背景气体碰撞作为表观加热的来源。
• 识别低温下背景气体的冷冻吸附如何因稀有弹性碰撞而模拟稳态加热效应的条件。
• 提供跨材料和温度的高精度数据，以指导降低加热、提升容错量子计算的材料或工艺方案的发展。

提出的方法

• 使用配备隔振低温冷却器的低温超高真空（UHV）装置，将阱电极温度控制在3.5 K至300 K之间。
• 将单个 88Sr+ 离子加载到由溅射铌（2 µm）或热蒸发金（500 nm）制成的分段式表面电极保罗阱中，基板为蓝宝石。
• 通过脉冲分辨边带冷却，将离子制备在运动基态（n=0），保真度超过99%。
• 利用边带比技术测量加热速率：提取红边带与蓝边带振幅比，以确定平均声子数 ⟨n⟩ 随延迟时间的变化。
• 应用低通RC滤波器和多级滤波器，抑制靠近阱频率的射频和低频电场噪声。
• 通过低温泵浦控制背景气体密度，并利用朗吉万模型测量非弹性碰撞速率，以估算离子损失速率。

实验结果

研究问题

• RQ1 异常离子运动加热速率是否依赖于阱电极材料，例如铌与金？
• RQ2 在铌和金阱中，从4 K到室温的温度范围内，加热速率如何随温度变化？
• RQ3 尽管频率很低，背景气体分子的弹性碰撞是否可能产生表观稳态加热速率？
• RQ4 在阱频率处，电场噪声的主要来源是否具有材料特异性，或是否由与电极成分无关的表面污染物决定？
• RQ5 低温下背景气体的冷冻吸附是否可能模拟加热效应？若能，其发生条件为何？

主要发现

• 离子运动加热速率从室温（300 K）到4 K降低了两个多数量级，4 K时的值低于10−3 Hz。
• 在整个温度范围内，铌阱与金阱中的加热速率几乎完全相同，表明无显著材料依赖性。
• 两种材料中测得的最低加热速率与同类尺寸低温阱中已报道的最低值相当，4 K时低于10−3 Hz。
• 在16 K时，背景气体碰撞因弹性碰撞产生表观稳态加热速率，但非弹性碰撞速率（估计为0.6–1.6 s−1）是离子损失的主要原因。
• 测得的电场噪声远低于两种材料的预期约翰逊噪声，表明异常加热并非源于电极中的电阻损耗。
• 加热的温度依赖性与热激活过程一致，且无材料依赖性强烈表明表面污染物是异常加热的主要来源。