小体积UHV离子陷阱封装及形成方法

关于联邦资助研究的声明

本发明是在政府支持下依据由陆军研究办公室授予的联邦拨款号W911NF16-1-0082完成。政府拥有本发明的某些权利。

相关申请案的交叉参考

本申请案是2020年6月26日申请的第16/913,932号共同待决的美国非临时申请案的部分接续(代理人案号：525-015US2)，所述美国非临时申请案是2018年3月26日申请的第15/935,312号美国非临时专利申请案(现在的第10,755,913号美国专利)的分案申请案(代理人案号：525-015US1)，所述美国非临时专利申请案主张2017年7月18日申请的第62/533,927号美国临时申请案(代理人案号：DU5308PROV)的权益，所述每一申请案如同在本文中详细地阐述一样以引用的方式并入。

本申请案还主张2020年7月9日申请的第63/049,842号美国临时专利申请案(代理人案号：DU7191PROV)的权益，所述申请案如同在本文中详细地阐述一样以引用的方式并入。

技术领域

本公开大体上涉及量子计算且更具体来说，涉及用于能够支持超高真空环境的离子陷阱的外壳。

背景技术

使用原子离子的系统由于它们的长相干时间、量子位之间的全连通性及高保真度门操作而作为用于实用量子计算机的主导物理平台之一。然而，与基于固态装置的量子位不同，用于扩展陷获离子系统的集成方法并不明显。为了建立实用的陷获离子量子计算系统，已勾勒出用于设计复杂陷获离子系统的许多新颖理念。

陷获离子实验，无论它们是使用传统的线性保罗陷阱(Paul Trap)还是微制造的表面陷阱，最终均依赖于与背景气体分子的碰撞事件的缺乏以便提供更好的量子位隔离并执行可靠的高保真度门。关键的是，要求处于超高真空(UHV)状态(<1*10

在现有技术中，已通过采用低温系统来满足可扩展的陷获离子量子计算机的要求，其中通过利用低温温度同时维持其真空质量来使UHV操作区域的体积较小。不幸的是，低温系统庞大且昂贵。另外，闭环低温恒温器引发非期望的振动。

不需要低温操作的实用的紧凑陷获离子系统将代表现有技术水平的进步。

发明内容

本公开实现极其紧凑的离子陷阱系统，其可在超高真空中在非低温温度下操作，且可具有小于或等于10立方厘米(cc)的系统体积。

相较于现有技术的进步通过在离子陷阱系统的离子陷阱围封件保持在超高真空(UHV)环境中时对所述离子陷阱围封件执行原位表面处理及真空密封来实现。因此，组成所述围封件的零部件仅使用UHV密封件来连结，所述UHV密封件例如焊接接头、真空凸缘及UHV兼容焊料密封件。此外，根据本公开的实施例不包含真空阀或夹断管，所述真空阀或夹断管通常用于现有技术的离子陷阱围封件中且已知是庞大的或随着时间推移是不可靠的。又此外，通过在将离子陷阱密封在围封件中之前建立UHV环境，避免对大型的复杂低温真空系统的需要，由此实现非常小体积的离子陷阱系统。

根据本公开的说明性实施例是一种离子陷阱系统，其包括将离子陷阱围封在具有近似2cm

在一些实施例中，所述围封件包含一或多个窗口以供提供观察口、用于向离子陷阱装载离子的光离子化激光信号的光学入口、用于烧蚀材料以在所述腔室内产生原子通量的激光信号的光学入口，提供用来初始化、操纵及读出陷获离子量子位及/或从陷获离子量子位收集散射光子以供成像及量子位状态检测的一或多个激光信号。

根据本公开的实施例是一种离子陷阱系统，其包括：离子陷阱，其安置在芯片载体上；及围封件，其将所述离子陷阱围封在第一腔室中，其中所述围封件包含包括所述芯片载体及外壳的多个零部件，且其中所述多个零部件中的所述零部件通过由UHV密封件组成的多个密封件连结；其中所述第一腔室具有小于或等于10

根据本公开的另一实施例是一种离子陷阱系统，其包括：离子陷阱，其安置在芯片载体上；及围封件，其将所述离子陷阱围封在第一腔室中，其中所述围封件包含包括所述芯片载体及外壳的多个零部件；多个密封件，其由UHV密封件组成，其中所述多个密封件连结所述多个零部件中的所述零部件；及离子泵，其经由第一UHV密封件与所述围封件连结；其中所述第一腔室具有小于或等于10

根据本公开的又一实施例是一种用于形成离子陷阱系统的方法，所述方法包括：将离子陷阱定位在具有小于或等于10

附图说明

图1展示根据本公开的说明性离子陷阱系统的框图。

图2A到B分别描绘根据说明性实施例的离子陷阱封装的俯视图及截面视图的示意图。

图3描绘根据说明性实施例的用于形成离子陷阱封装的方法的操作。

图4描绘根据本公开的UHV组装系统的框图。

图5描绘根据本公开的用于监测离子陷阱系统内部的压力的方法的操作。

图6A描绘根据本公开的双阱电势的模拟。

图6B描绘根据本公开的随时间而变的双阱电势的阱之间的陷获离子的位置的图表。

图7描绘根据本公开的用于监测离子陷阱系统内部的压力的替代方法的操作。

图8A描绘用来估计方法700的六离子链的碰撞能量的第一及第二链构型。

图8B描绘离子重新排序事件之间的时间间隔的直方图。

具体实施方式

下文仅仅说明本公开的原理。因此，将明白，所属领域的技术人员将能够设计出各种布置，所述布置尽管未在本文中明确地描述或展示，但是体现本公开的原理且包含在其精神及范围内。

此外，本文中所叙述的所有实例及条件语言主要明显地意在仅用于教学目的以辅助读者理解本公开的原理及(若干)发明人为促进所属领域发展而贡献的概念，且应被理解为不限于此类具体叙述的实例及条件。

此外，本文中叙述本公开的原理、方面及实施例以及其特定实例的所有声明意在涵盖其结构及功能等效物两者。另外，此类等效物意在包含当前已知的等效物以及将来开发的等效物，即，执行相同功能的任何所开发元件，而与结构无关。

因此，例如，所属领域的技术人员将明白，本文中的任何框图表示体现本公开的原理的说明性电路系统的概念视图。类似地，将明白，任何流程图表、流程图、状态跃迁图、伪代码及类似者表示可基本上在计算机可读媒体中表示且因此由计算机或处理器执行的各种过程，无论此计算机或处理器是否被明确地展示。

附图中所展示的各种元件(包含可被标记为“处理器”的任何功能块)的功能，可通过使用专用硬件以及能够联合适当软件执行软件的硬件来提供。当由处理器提供时，所述功能可由单个专用处理器、单个共享处理器或多个个别处理器来提供，所述处理器中的一些可被共享。此外，术语“处理器”或“控制器”的明确使用不应被解释为专门是指能够执行软件的硬件，且可隐含地包含但不限于数字信号处理器(DSP)硬件、网络处理器、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、用于存储软件的只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)及非易失性存储装置。还可包含常规的及/或定制的其它硬件。

软件模块，或简单地为被暗示为软件的模块，可在本文中被表示为流程图表元素或指示执行过程步骤及/或文本描述的其它元素的任何组合。此类模块可由明确地或隐含地展示的硬件来执行。

除非本文中另有明确地指定，否则构成附图的图不按比例绘制。

定义以下术语以供在本说明书，包含所附权利要求书中使用：

·“UHV密封件”被定义为小分子气体，此氢气、氦气及类似者基本上无法透过的密封件。根据本公开的UHV密封件能够跨其所定位的屏障维持至少10

·“非UHV密封件”被定义为不适用于UHV沉积系统及/或小分子气体(例如氢气或氦气)基本上无法透过的密封件。非UHV密封件的实例包含夹断管、由非金属材料制成的可压缩垫圈、非UHV兼容焊料密封件及类似者。

图1展示根据本公开的说明性离子陷阱系统的框图。离子陷阱系统100包含离子陷阱封装102、离子泵104、烧蚀激光器106及离子化激光器108。

离子泵104是与离子陷阱封装102流体接合的紧凑常规离子泵。

烧蚀激光器106是适于向离子陷阱封装102内的材料提供烧蚀信号114以产生原子通量的脉冲激光源。如下文所论述，通过在离子陷阱封装102中包含窗口来实现烧蚀信号114到待烧蚀的材料的光学入口。在所描绘实例中，烧蚀激光器106是提供具有0.3mJ脉冲能量的8ns宽脉冲的具有1064nm的波长的Q开关Nd:YAG脉冲激光器；然而，在烧蚀激光器106中可使用其它激光源。

激光器模块108包含用于提供激光信号116的常规激光源，所述激光信号包含适于离子化离子陷阱封装102内的中性原子、多普勒冷却及检测以及光学再泵浦的波长。在所描绘实例中，激光器模块108包含具有355nm、391nm、399nm、370nm、638nm及935nm的波长的连续波(CW)激光器。

RF端口110及DC端口112是用于实现RF及DC电信号到离子陷阱202的电极的外部电连接的常规电馈通。

图2A到B分别描绘根据说明性实施例的离子陷阱封装的俯视图及截面视图的示意图。图2B中所展示的截面视图是沿着图2A中所展示的线a-a截取的。

离子陷阱封装102包含离子陷阱202及围封件204，所述围封件将所述离子陷阱围封在超高真空(UHV)环境内。

图3描绘根据说明性实施例的适于形成离子陷阱封装的方法的操作。继续参考图1及2A到B并且参考图4来描述方法300。方法300从操作301开始，其中将离子陷阱202固定及线接合到常规芯片载体206。

离子陷阱202是常规的微加工表面离子陷阱。适合根据本公开的教示使用的表面离子陷阱的实例包含桑迪亚国家实验室(Sandia National Laboratories)HOA 2.0离子陷阱及类似者。如所属领域的技术人员将明白，微加工表面离子陷阱包含以两个一维阵列安置在衬底的表面上的多个电极使得所述电极在线性阵列之间界定线性陷阱区TR。陷阱区TR的纵轴界定陷阱轴TA。

离子陷阱202的电极与接合垫电耦合，所述接合垫线接合到RF端口110及DC端口112(图2A到B中未展示)以在离子陷阱处实现RF及DC电信号的所期望布置。

围封件204包含多个零部件，所述零部件包括芯片载体206及外壳208，所述外壳包含侧壁208A及盖子208B。在一些实施例中，外壳208是包含界定侧壁208A及盖子208B的连续部分的整体结构。例如，在一些实施例中，外壳208由固体材料块加工而成，由此形成包含侧壁208A及盖子208B的单个连续元件。

在所描绘实例中，围封件204还包含安装在侧壁208B中的窗口214-1到214-3及安装在盖子208B中的窗口214-4。窗口214-1到214-4分别经由UHV密封件210-1到210-4固定在外壳208内，使得小分子气体，例如氢气、氦气等基本上无法透过所述窗口及UHV密封件。优选地，窗口214-1到214-4由也减轻小分子气体的扩散的单晶材料制成。

在所描绘实例中，每一窗口经由UHV密封件密封到外壳208，所述密封件通过首先在所述窗口上形成钎焊接头且接着将钎焊接头用电子束焊接到所述外壳而制成。

在操作302处，分别在UHV密封件210-5及210-6处将侧壁208A连结到盖子208B及离子泵104。小分子气体，例如氢气、氦气等也基本上无法透过UHV密封件210-5及210-6中的每一者。在所描绘实例中，UHV密封件210-5及210-6中的每一者是焊接接头。

在操作303处，将芯片载体206及包括外壳208的部分组装的围封件及离子泵104装载到UHV组装系统400中。

图4描绘根据本公开的UHV组装系统的框图。UHV组装系统400是能够在单独组件处于UHV条件下时对它们进行对准及连结的对准/连结系统。UHV组装系统400包含UHV腔室402、泵404、对准系统406、连结系统408及装载锁410。

UHV腔室402是能够维持小于或等于10

芯片载体、外壳及离子泵经由装载锁404放置到UHV腔室402中，所述装载锁是零部件可通过其装载到UHV腔室402中而不会使其UHV环境显著降级的常规进口。

泵406是经配置以将UHV腔室抽空到小于或等于10

对准系统408是能够实现及维持多个零部件之间的高精度对准的六自由度对准系统。

在操作304处，对腔室212内的至少一个表面应用表面处理，例如离子溅射及类似者。在所描绘实例中，执行多种表面处理，包含氩离子束处理、等离子体处理及热处理。

在操作305处，在盖子208B上形成吸气剂表面220。在一些实施例中，常规吸气剂，例如非蒸散型吸气剂(NEG)定位在腔室212内。

在操作306处，对准芯片载体206与外壳208。

在所描绘实例中，对准并连结芯片载体206与外壳208使得陷阱轴TR沿着离子泵方向定向且陷阱轴TA相对于烧蚀信号114的传播方向成角度θ定向。在所描绘实例中，θ等于近似45°使得烧蚀信号以对角线穿过陷阱区TR。

通过窗口214-1实现烧蚀信号114的光学入口，这允许烧蚀信号接达坩埚216中的材料218以烧蚀所述材料且产生原子通量。在所描绘实例中，材料218是镱(Yb)。

以类似方式，通过窗口214-2实现激光信号116到离子陷阱202的光学入口。

在所描绘实例中，UHV密封件210-1到210-6中的每一者是激光焊接接头。在一些实施例中，UHV密封件210-1到210-6中的至少一者是包括适用于UHV系统的材料(例如但不限于铟、金锡及类似者)的不同UHV密封件，例如可压缩金属凸缘(例如，铜凸缘等)、钎焊接头或UHV兼容焊料环。

在操作307处，经由UHV密封件210-7连结芯片载体206与外壳208。在所描绘实例中，UHV密封件210-7是包括铟的焊料密封件。UHV密封件210-7的形成完成围封件204，由此将离子陷阱202密封在腔室212内，其中内部UHV环境等效于UHV腔室402内的环境。换句话说，在操作304完成之后，腔室212含有其中压力小于或等于10

在所描绘实例中，一旦被完全组装，围封件204具有近似130mm×100mm×70mm的总尺寸。然而，所属领域的技术人员在阅读本说明书之后将明白，这些尺寸仅仅是实例性的且围封件204可具有任何实际的物理尺寸而不脱离本公开的范围。

在所描绘实例中，连结系统410是经配置以在UHV环境中操作的铟密封系统且UHV密封件210-7是铟焊料环。然而，应注意，在不脱离本公开的范围的情况下，可使用除激光焊接系统之外的连结系统以在UHV条件下连结零部件。在一些实施例中，例如，连结系统410包含激光焊接系统、焊接系统及/或用于压缩可压缩金属凸缘(类似于在UHV沉积系统中使用的那些)的系统，所述系统例如分子束外延(MBE)系统、原子层外延(ALE)系统及类似者。

在一些实施例中，待连结的围封件204的零部件设置有在经由可压缩金属凸缘及/或UHV兼容焊料焊接或连结时互锁以确保可靠密封的槽环及框架。

应注意，尽管在将围封件204放置在UHV腔室402中之前对围封件204进行组装并与离子泵104连结(密封件210-6除外)，但是在一些实施例中，围封件组合件中的更多部分是在UHV腔室本身内完成的(例如，窗口214-1到214-3中的至少一者及/或盖子连结到侧壁208A，及/或侧壁208A与芯片载体206连结等)。此外，在一些实施例中，完全或部分组装的围封件204与离子泵104在它们均定位在UHV腔室内时连结。

本公开的一方面是，仅使用UHV密封件来连结围封件的零部件且密封围封件同时其内部腔室具有小于或等于10

·排除不可靠的夹断管；或

·实现在高于低温温度(例如，大于或等于-50℃)的温度下的操作；或

·显著更小的总离子陷阱系统体积；或

·实现无低温泵的离子陷阱系统；或

·i、ii、iii及iv的任何组合。

例如，在说明性实施例中，腔室212具有仅近似2cm

在任选操作308处，将腔室212中的压力降低到10

对于所属领域的技术人员来说将显而易见的是，离子陷阱系统中的真空质量决定离子链的寿命。残余背景气体分子与陷获离子之间的弹性碰撞速率是基于陷获离子的量子计算机的关键参数，因为具有足够动能转移的这些碰撞可显著地破坏陷获离子链。为了在量子计算所需的时间段内可靠地维持离子链，真空度必须在UHV范围内(优选地近似10

本公开的另一方面是，可通过监测一或多个陷获离子的行为来测量(或估计)腔室212内部的压力。

图5描述根据本公开的用于监测离子陷阱系统内部的压力的方法的操作。方法500从操作501开始，其中在离子陷阱202中产生双阱电势。

图6A描绘根据本公开的双阱电势的模拟。

图表600描绘若干条件下的随轴向位置而变的离子电势，其中阱W1与W2之间的电势势垒的高度的最小值显著地低于来自碰撞事件的平均能量转移(即，碰撞能量)。

在操作502处，控制两个阱之间的电势势垒。在所描绘实例中，电势势垒高度BH被控制到50μeV，其是平均碰撞能量

其中m

在操作503处，在阱W1与W2之间监测单个陷获离子的位置。在所描绘实例中，通过在电子倍增CCD(EMCCD)相机上对离子位置成像来确定陷获离子的位置以确定两个阱中的哪一者含有离子。

图6B描绘根据本公开的随时间而变的双阱电势的阱之间的陷获离子的位置的图表。

图表602描绘两个电势阱的最小值定位在其中的区(被指定为区1及区2)中的像素的总EMCCD信号计数的样本迹线，其指示随时间(即，跃迁速率)而变的离子位置。

在操作504处，确定阱W1与W2之间的离子跃迁速率。这个跃迁速率从图表602提取。在所描绘实例中，所述跃迁速率是每32分钟1次事件。预期实际的碰撞速率是所测量跃迁速率的大约两倍，因为离子在碰撞之后最终将被多普勒冷却到任一阱中。

在操作505处，基于经提取碰撞速率估计腔室212中的压力。碰撞速率γ与腔室212中的压力之间的关系由下式给出：

其中P是腔室212中的压力，Q是陷获离子的净电荷，T是温度，α是背景分子的极化率，且ε

在所描绘实例中，γ＝1/(16min)，μ≈m

在一些实施例中，基于保持在离子陷阱中的离子链中的离子的重新排序速率估计UHV腔室中的压力。

图7描绘根据本公开的用于监测离子陷阱系统内部的压力的替代方法的操作。方法700从操作701开始，其中选择具有彼此不同的至少一种性质的离子的同位素以包含在待在离子陷阱202中陷获的离子链中。选择具有不同性质的离子使得能够确定离子链中的离子的顺序。在所描绘实例中，同位素被选择为

在操作702处，估计在离子链中引发可观察到的重新排序事件所需的碰撞能量。

在操作703处，在离子陷阱202中陷获选定离子链。在所描绘实例中，离子链包含四个

尽管离子链中包含多种同位素，但是仅一种同位素将与多普勒冷却激光(在所描绘实例中是370nm)共振；因此，EMCCD相机将仅检测到这种同位素。在所描绘实例中，

为了估计这种碰撞能量，(1)其中离子以它们典型的构型沿着陷阱轴对准的第一链构型与(2)其中所述离子中的两者已推入横轴中的一者的第二链构型之间的能量差。

图8A描绘用来估计方法700的六离子链的碰撞能量的第一及第二链构型。

当相同离子在陷阱中静止时，链的总能量由下式给出：

其中m是离子的质量，ω

在所描绘实例中，ω

因此，预期在离子链由于碰撞事件而获得超过约2.2meV的能量时可能发生重新排序事件。这个值接近如由上述等式(1)给出的单次碰撞事件中的估计平均能量交换。因此，可预期两次碰撞事件中的一者将导致重新排序事件，因为大约一半的背景分子将具有大于2.2meV的能量。

在操作704处，经由EMCCD相机监测离子链中的离子的顺序。

在操作705处，确定离子重新排序事件之间的时间间隔。

图8B描绘离子重新排序事件之间的时间间隔的直方图。图表800展示在15小时的时段内记录的离子链重新排序事件的以2分钟为时间区间的重新排序间隔时间。

如图表800中所展示，记录54次重新排序事件且平均重新排序速率是近似每15.8分钟一次事件。应注意，由于一些相邻的离子对是相同同位素，估计仅检测到近似2/3的重新排序事件。因此，对经记录数据应用校正因子，从而给出近似每10.5分钟一次事件的“真实”重新排序速率。

应注意，如果导致跃迁的每次离子-分子碰撞引发重新排序事件，那么基于双离子链的碰撞速率乘以3以得到六离子链，将预计每5.3分钟一次事件的重新排序速率。假定重新排序-冲突事件的所需能量是近似2.2meV(其与冲突事件期间的估计平均能量交换类似)，那么所测量重新排序速率是冲突速率的大约一半是合理的。

在操作706处，基于离子链的重新排序速率估计腔室212中的压力。

应理解，本公开仅教示根据本公开的实施例的一些实例且所属领域的技术人员在阅读本公开之后可容易地设计出本发明的许多变体且本发明的范围由所附权利要求书来确定。