Gespeicherte Ionen sind eine der am weitesten fortgeschrittenen Plattformen für die Quanteninformationsverarbeitung und ermöglichen Gatteroperationen hoher Güte und lange Kohärenzzeiten. Die etablierte Technologie kann durch die Verwendung von mikrofabrizierten Oberflächenfallen auf Quantenregister von einigen hundert bis möglicherweise sogar tausend Qubits erweitert werden. Ziel dieser Arbeit ist es, einen neuartigen Ionengitter-Prozessor zu erforschen, der auf zweidimensionalen Anordnungen von Oberflächenfallen basiert. Dabei werden unterschiedliche technische Aspekte dieses Ansatzes untersucht: Elektrodendesign und Fabrikation, geeignete Fallenmaterialien sowie die elektrische Ansteuerung der Fallen. Die Studien zum Elektrodendesign konzentrieren sich auf zweidimensionale Anordnungen von Punktfallen und linearen Fallen, welche eine dynamische Rekonfiguration der Konnektivität des Ionengitters sowie des Ionenabstands erlauben. Durch Letzteres werden Wechselwirkungen mit einstellbarer Stärke zwischen Ionen in benachbarten Gitterplätzen möglich. Die Durchführbarkeit dieses Ansatzes in einer zweidimensionalen Anordnung linearer Fallen mit 18 Gitterplätzen wird durch umfassende Fallensimulationen gezeigt. Die realisierbaren Wechselwirkungsstärken zwischen benachbarten Ionen sind dabei im kHz-Bereich, während gleichzeitig ein moderater Abstand d ~ 100 µm zwischen den Ionen und der Fallenoberfläche gewährleistet wird, um das elektrische Feldrauschen gering zu halten. Des Weiteren legen die Simulationen eine Schwäche von Anordnungen von Punktfallen offen, die durch eine stark verminderte Fallentiefe in Gitterkonfiguration mit reduziertem Ionenabstand gegeben ist. Auf experimenteller Seite wird die Herstellung verschiedener Versionen von Mikrochips mit Anordnungen von Punktfallen und linearen Fallen mittels Mehrschicht-Mikrofabrikationsmethoden beschrieben. Elektrische Spannungstest werden eingesetzt, um Alterungseffekte in dielektrischen Isolationsschichten zu untersuchen, sowie die Ursache für das Versagen des Dielektrikums in den Fallenchips zu identifizieren. Das Laden eines Ionengitters in einer Anordnung linearer Fallen wird demonstriert. Im Bezug auf elektrische Ansteuerung der Fallen wird die Erzeugung von Radiofrequenz- (RF-) Feldern untersucht, die differentiell auf unterschiedlichen Elektroden eingestellt werden können. Diese Schlüsseltechnologie für das dynamische Einstellen des Ionenabstands im Gitter wird in einem Prototyp eines durchstimmbaren RFResonators untersucht. Die demonstrierte elektrische Verstimmbarkeit des Prototyps sollte ausreichen, um Ionentransport über mehrere Dutzend µm in typischen Fallengeometrien zu gewährleisten. Zudem lässt sich der Prototyp bei kryogenen Temperaturen von 10 K betreiben, welche für die Erzeugung des für große Ionengitter wichtigen, extrem hohen Vakuums unerlässlich sind. Schließlich wird in einem weiteren Experiment ein Hochtemperatursupraleiter auf seine Verwendbarkeit als neues Fallenmaterial hin überprüft. Die Messung der Heizrate eines einzelnen gefangenen Ions oberhalb der supraleitenden Fallenoberfläche ergibt niedrige Werte von ~ 1 Phonon/s bei einem Abstand d = 225 µm zwischen Ion und Fallenchip. Des Weiteren wird gezeigt, dass supraleitende Elektrodenzuleitungen in Bezug auf elektrisches Feldrauschen sowie Erdung von parasitären RF-Spannungen gegenüber gebräuchlicheren Fallenmaterialien wie Gold oder Aluminium von Vorteil sein können.
Titelaufnahme
- TitelTowards ion-lattice quantum processors with surface trap arrays / by Philip Christoph Holz
- verfasst von
- begutachtet von
- ErschienenInnsbruck, November 2019
- Umfangxviii, 204 Seiten : Illustrationen, Diagramme
- AnmerkungZusammenfassung in deutscher Sprache
- Datum der AbgabeNovember 2019
- SpracheEnglisch
- DokumenttypDissertation
- Schlagwörter (DE)
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- Schlagwörter (GND)
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- Nachweis
Trapped-ions are one of the most successful platforms for quantum information processing to date, with high gate fidelities and long coherence times. The established technology can be extended to potentially hundreds and thousands of qubits using microfabricated trap arrays. This thesis explores the path towards an ion-lattice quantum processor, based on two-dimensional arrays of microfabricated surface traps. Different technical elements are thereby investigated: electrode design and trap fabrication, suitable trap materials and electrical operation. The studies of electrode design are focused on two-dimensional point trap arrays and linear trap arrays, where ion-shuttling operations are used to dynamically reconfigure the ion lattice in terms of lattice connectivity and ion-spacing. The latter enables tunable interactions between ions in adjacent lattice sites. Extensive trap simulations show the feasibility of this approach for a two-dimensional linear trap array with 18 trapping sites. The simulated trapping potentials facilitate interaction strengths between ions in adjacent sites in the kHz range, while maintaining a moderate ion-surface separation d ~ 100 µm to keep the electric field noise low. For point trap arrays, a weakness is revealed in terms of a greatly diminished trap depth in lattice configurations with reduced ion spacing. First instances of a point trap array and a linear trap array have been fabricated using multilayer microfabrication methods. Voltage tests are used to investigate aging effects of the dielectric insulation layer as well as the origin of dielectric breakdown of the trap structures. Trapping of a lattice of ions in a linear trap array is demonstrated. With regard to electrical operation, the generation of radio-frequency (RF) fields that are differentially tunable on different trap electrodes is studied with an electrical resonator prototype. The performance of this prototype should be sufficient to realize RF-controlled ion-shuttling over many tens of µm in realistic trap geometries. In addition, the resonator remains tunable at cryogenic temperatures of 10 K, where extremely good vacuum conditions can be achieved as required for the operation of large ion lattices. Lastly, a high-temperature superconductor is investigated as a novel trap material in a linear surface trap. The ion heating rate above a superconducting trap surface is measured, with a low value on the order of 1 phonon/s at an ion-surface separation of d = 225 µm. Furthermore, it is shown that superconducting electrode leads can offer better RF grounding of trap electrodes and a lower level of electric field noise compared to standard trap materials such as aluminium or gold.
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