[论文解读] Phoenix and Peregrine Ion Traps

Melissa Revelle|arXiv (Cornell University)|Sep 4, 2020

Analytical Chemistry and SensorsChemical Engineering参考文献 2被引用 17

一句话总结

本文介绍了Phoenix和Peregrine两种微纳加工的表面电极离子阱，专为可扩展的量子信息处理而设计。它们基于Sandia的高光学透过率（HOA）平台，采用CMOS兼容工艺制造，具备分段控制电极、集成加热/温度传感功能，并优化了射频效率。主要贡献在于提出了一种可扩展的、高光学透过率的阱结构，实现了对离子的精确控制，并与量子计算实验平台兼容。

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.

研究动机与目标

• 开发与CMOS技术兼容的可扩展微纳加工离子阱，用于量子信息处理。
• 实现激光束在阱表面滑行或通过中心槽的高光学透过率。
• 通过具备全自由度的分段内、外控制电极，实现对离子运动的精确控制。
• 最小化射频损耗与热负荷，以实现稳定运行，尤其在低温环境下的表现。
• 在芯片上集成温度传感与电阻加热，实现原位热管理。

提出的方法

• 在硅基底上设计对称的6轨线性阱结构，配备分段的内、外控制电极。
• 在Phoenix阱中采用贯穿基板的槽结构，实现数值孔径为0.25的垂直光学透过。
• 在Sandia的HOA平台上使用六层金属工艺进行制造，内控电极位于较低金属层（M3），以减少对离子的扰动。
• 集成铝和钨电阻丝，实现局部加热与温度传感。
• 在所有直流控制电极上集成沟槽电容，以确保射频接地并降低漏电流。
• 通过伪逆与非线性优化方法开发电压解算阵列，生成精确的静电势，用于离子的传输、旋转与补偿。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何优化微纳加工的表面电极离子阱，以实现高光学透过率与最小射频损耗？
• RQ2 哪些设计特征可确保在过渡区域中离子传输的稳定性，且保持恒定的阱条件？
• RQ3 如何在紧凑且与CMOS兼容的阱结构中有效实现集成加热与温度传感？
• RQ4 分段控制电极在实现线性阱结构中对离子运动的全自由度控制方面表现如何？
• RQ5 在射频电压效率、轴向与径向阱频率及光学透过率方面，两种阱设计的性能如何比较？

主要发现

• Phoenix阱通过其中心贯穿基板的槽结构，实现了0.25的数值孔径，支持垂直入射的高NA光束，实现垂直于阱表面的高效率光耦合。
• Peregrine阱对表面滑行光束提供0.11的数值孔径，对45°入射光束为0.08，支持高精度激光控制。
• 阱的轴向阱频率与径向阱频率之比最大为8%，表明其具有良好的平衡性，有利于实现高保真度量子门操作。
• 在直流电极上使用沟槽电容可确保极低漏电流（±10 V时为10 nA）与高电容值（0.8 nF），串联电感约为50 pH。
• Phoenix阱在开槽区域的离子高度为68 μm，在表面区域为72 μm；而Peregrine阱保持恒定的74 μm离子高度。
• 阱芯片采用定制陶瓷LGA或CPGA封装，引脚间距为2.54 mm，支持100个信号连接与94路控制电压。