[论文解读] Microfabrication techniques for trapped ion quantum information processing

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

Mechanical and Optical Resonators参考文献 144被引用 4

一句话总结

本文提出基于掺硼硅的微纳加工离子阱，用于可扩展的囚禁离子量子信息处理，实现了分段微阱中离子的装载与输运。通过引入相位移耦合，实现了对微机械振子的射频电容冷却至45 K，向宏观系统基态冷却迈出了关键一步，并成功实现了三离子量子傅里叶变换，验证了可扩展离子阱量子计算架构中的关键组件。

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.

研究动机与目标

• 开发基于硅基技术的可扩展微纳加工离子阱，用于大规模囚禁离子量子信息处理。
• 研究并缓解由于射频势场及外部源噪声引起的离子运动模式加热问题。
• 通过射频电容耦合实现对宏观微机械振子的冷却，为实现基态冷却提供路径。
• 在微纳加工阱架构中实现并验证基于三个铍离子量子比特的半经典的量子傅里叶变换（QFT），作为可扩展量子架构的基准测试。
• 提供详细且非专家友好的微纳加工制造指南，用于离子阱的构建与表征。

提出的方法

• 采用掺硼硅晶圆制造微阱，其具有分段多区电极结构，用于离子约束与输运。
• 采用赝势近似建模射频保罗阱中的离子动力学，以设计稳定的阱几何结构。
• 利用微机械悬臂与驱动谐振电路之间的射频电容耦合，施加具有相位移的力以实现冷却。
• 通过在微阱中对24 Mg+离子进行离子装载与输运实验，验证了阱的功能性。
• 采用三个9Be+离子实现半经典的量子傅里叶变换（QFT），并整合了纠缠与单量子比特操作。
• 通过测量离子加热速率的上限来表征阱性能，并识别出射频势噪声为主要噪声源。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于硅的微纳加工离子阱是否能够支持稳定、可扩展的离子输运与量子门操作，以实现量子信息处理？
• RQ2 在微纳加工阱中，离子运动模式加热的主要来源是什么？是否可被有效缓解？
• RQ3 能否利用射频电容耦合将宏观机械振子冷却至低温，接近基态？
• RQ4 是否可在微纳加工阱架构中成功实现三离子量子傅里叶变换，以验证可扩展性？
• RQ5 对于非专业人员而言，哪些实用的微纳加工技术在构建功能离子阱方面具有可及性与有效性？

主要发现

• 成功在掺硼硅制造的微阱中实现了离子装载与输运，证实了分段电极设计的功能性。
• 测定了离子加热速率的上限，但外部注入噪声（尤其是射频势波动）作为潜在来源尚无法完全排除。
• 通过具有相位移的射频电容耦合，将微机械悬臂的7 kHz基模从室温冷却至45 K。
• 冷却机制依赖于具有相位移的射频电容力，通过提取动能实现，展示了实现宏观振子基态冷却的可行路径。
• 成功在三个9Be+离子上实现了半经典的量子傅里叶变换，验证了可扩展离子阱量子计算架构中的关键要素。
• 成功应用了包括树脂浸渍金刚石刀片切割与金线键合在内的微纳加工技术，用于陷阱的构建与表征，且已对键合参数在硅片上的金线应用进行了优化。