[发明专利]离子阱装置和制造该离子阱装置的方法

说明书

技术领域

本公开在一个或更多个实施方式中涉及离子阱装置和制造该离子阱装置的方法。

背景技术

本部分中的说明仅提供关于本公开的背景信息，并不一定构成现有技术。

市场中的商业化的量子秘钥分配(QKD)系统存在缺陷，最显著的缺陷是在穿过光纤时由于单光子的衰减造成的单光子的最大单程行进距离的限制。为了克服该缺陷，需要使用量子中继器来放大信号。离子阱是用于实现对于量子中继器而言是必需的量子存储器的最期望方法。

图1是例示三维阱的原理的图。

根据电极的设置，多种形状的离子阱是可用的，包括能够用由四个电极e1、e2、e3和e4生成的场的形状实现的基本形式，如图1所示。当电极e1和e4接地并且高电压RF信号被施加到电极e2和e3时，如图1(a)所示，形成如图1(b)所示的电场(E)，并且电场(E)的方向响应于所施加的信号的射频(RF)而不断地改变。在这种情况下，当带电粒子的电荷量、带电粒子的质量、电场的强度和射频满足特定数学条件时，带电粒子平均而言朝向图1(b)中的电极e1、e2、e3和e4的中心被驱使。由这种平均力生成的电势被称为有质动力势(ponderomotivepotential)。

图1(c)是示出在电极e1、e2、e3和e4之间形成的有质动力势的形状的图。这里，有质动力势与在电极e1、e2、e3和e4中捕获的电荷的符号无关。尽管电势倾向于偏离z轴，但是电势继续集中吸引电荷，然而电势并不有助于确定沿z轴可以捕获带电粒子的位置。因此，为了在图1(a)所示位置捕获带电粒子，施加电压以满足V1＞V2的条件而不是将电极e1和e4接地。

图2(a)是例示二维阱的原理的图，并且图2(b)是例示生成的电场的方向以及由此引起的有质动力势的图。

很难实现具有如图1所示的三维结构的这种离子阱装置的高精度制造，并且也很难实现多个阱的集成。因此，为了应用量子信息，应当通过微机电系统(MEMS)处理修改离子阱的设计以便能够在二维晶圆表面上制造离子阱装置。图2(a)例示了执行将二维电极保形映射(conformalmapping)到一维域的方法。如图2(a)所示，通过将RF电压施加于导电圈的外周的厚的涂覆部分并且将其其余部分接地，在圈内形成与图1(b)中例示的电场类似的电场。如图2(a)所示，以上限定的RF电极的切线延伸以形成与下划线相交的部分。然后，将RF电压施加于相交的部分并且其余部分接地，由此在圈的中心所在的位置处建立类似于形成在圈内的电场的电场。图2(b)例示了当电极被一维布置时生成的电场的方向以及由此产生的有质动力势。这可以通过将RF电压施加于两个厚的涂覆条型电极并且将电极与RF电极外侧的相反部分之间的中心部分接地来实现。

通过利用上述原理生成的电极结构，可以在图2(b)中的三角形标记处捕获带电粒子。

制造离子阱装置的典型的另选使用基于MEMS的平面离子阱。

基于MEMS的平面离子阱芯片通过在将几百伏的范围内的高电势应用于RF电极的同时使用在超高真空(UHV)下由高电压RF和DC电压形成的电场来捕获离子。如果所施加的电压不是高电平，则可以施加电压而不存在问题。然而，在UHV下在RF电极和外周电极之间很有可能发生击穿。例如，当在RF电极和DC电极之间发生击穿时，RF电极和DC电极被损坏，导致离子阱芯片无法使用。用于解决击穿问题的简单的解决方案可以是增加RF电极和DC电极之间的间隔，然而这会导致离子阱芯片性能退化。因此，需要提供一种使这种击穿不影响离子阱芯片的性能的方案，并且需要使得在增加电极的数量以在离子阱芯片的有限维度内精确地且不同地控制离子时，或者在针对离子阱芯片的小型化而使电极之间的间隔最小化时可能发生的击穿最小化。

发明内容

技术问题

因此，本公开已经致力于有效地解决上述问题，并且本公开的主要目的在于通过设计用于改进电极的电特性的电极形状来改进捕获带电粒子(诸如离子)的能力和安全性。

技术方案