小体积UHV离子陷阱封装及形成方法

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：

1、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。

2、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*10-11托)的压力保持背景气体碰撞速率足够低以最小化离子链重新排序事件及离子从陷阱的损失。另外，量子计算需要高保真度门，这使可扩展的陷获离子量子计算机的优秀光机械稳健性及稳定性成为必需。驱动近共振过程的激光的光学频率应被稳定到1010分之一范围以恰当地利用这些跃迁进行量子位操纵及读出。量子逻辑门通常使用拉曼跃迁来驱动，其中具有精确频率差的两个远失谐非同向传播束在离子位置处相交。这些拉曼束的束路径长度及指向波动导致离子处的光学相位及强度波动，这导致不完美的门。为了避免这些问题，用于递送激光束的陷获离子系统及光学元件应保持稳定而不受例如温度波动、气流及机械振动等的环境噪声影响。

3、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。

4、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。

技术实现思路

1、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。

2、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。

3、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2cm3的体积的高真空腔室中的围封件。所述围封件包含多个零部件，所述零部件包含其上安装有离子陷阱的芯片载体、外壳及盖子，其中所述围封件的零部件之间的每个接头使用uhv密封件制成，所述uhv密封件在定位在具有小于或等于10-9托的压力的环境中时将适于用于uhv沉积系统中。因为所述围封件是在处于超高真空状态下时密封以建立其基线压力，所以所述离子陷阱系统是无低温冷却系统的。因此，所述腔室及整个系统可具有非常小的体积且所述离子陷阱可在高于低温温度的温度下操作。在一些实施例中，所述围封件在密封在所述uhv环境中之前与真空泵流体耦合使得所述真空泵可将所述腔室中的压力进一步降低到远低于10-10托。

4、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。

5、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10-10托的压力；其中所述第一腔室具有小于或等于10cm3的内部体积；且其中所述离子陷阱系统具有大于或等于-50℃的操作温度

6、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10-10托的压力；其中所述离子陷阱系统是无低温吸附泵的；且其中所述离子陷阱系统经配置以实现大于或等于-50℃的操作温度。

7、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10-9托的第一压力的第一环境中，其中所述离子陷阱定位在围封件的腔室内，所述围封件包含用由uhv密封件组成的多个密封件连结的多个零部件，所述腔室向所述第一环境敞开；及在所述离子陷阱及围封件定位在所述第一环境中时形成第一uhv密封件以将所述腔室与所述第一环境隔绝。

技术特征：

1.一种离子陷阱系统，其包括：

2.根据权利要求1所述的离子陷阱系统，其进一步包括烧蚀炉。

3.根据权利要求2所述的离子陷阱系统，其中所述多个零部件包含第一窗口。

4.根据权利要求3所述的离子陷阱系统，其中所述第一窗口包括抑制小分子气体扩散通过所述窗口的单晶材料。

5.根据权利要求1所述的离子陷阱系统，其中所述多个密封件中的至少一个密封件包括焊接接头、可压缩金属凸缘及uhv兼容焊接接头中的至少一者。

6.根据权利要求1所述的离子陷阱系统，其中所述围封件包含经激活以吸附气体分子的第一表面。

7.根据权利要求1所述的离子陷阱系统，其进一步包括(1)吸气剂材料及(2)离子泵中的至少一者。

8.一种离子陷阱系统，其包括：

9.根据权利要求8所述的离子陷阱系统，其中所述第一腔室具有小于或等于10cm3的内部体积。

10.根据权利要求8所述的离子陷阱系统，其中所述多个密封件中的至少一个密封件包括焊接接头、可压缩金属凸缘及uhv兼容焊接接头中的至少一者。

11.根据权利要求8所述的离子陷阱系统，其进一步包括烧蚀炉。

12.根据权利要求11所述的离子陷阱系统，其中所述围封件进一步包含在第二uhv密封件处与所述围封件连结的第一窗口。

13.根据权利要求12所述的离子陷阱系统，其中所述窗口包含抑制小分子气体扩散通过所述窗口的单晶材料。

14.根据权利要求8所述的离子陷阱系统，其中所述围封件包括经激活以吸附气体分子的第一表面。

15.一种用于形成离子陷阱系统的方法，所述方法包括：

16.根据权利要求15所述的方法，其进一步包括在所述腔室中提供第二压力，所述第二压力小于或等于10-10托。

17.根据权利要求15所述的方法，其中所述第一压力经提供使得其小于或等于10-10托。

18.根据权利要求15所述的方法，其中所述第一uhv密封件是焊接接头。

19.根据权利要求15所述的方法，其中所述第一uhv密封件包括可压缩金属凸缘及uhv兼容焊接接头中的至少一者。

20.根据权利要求15所述的方法，其进一步包括提供所述围封件使得其包含包括抑制小分子气体的扩散的单晶材料的窗口。

21.根据权利要求15所述的方法，其进一步包括在所述围封件及离子陷阱定位在所述第一环境中时对所述围封件的至少一个表面进行表面处理。

技术总结
本公开的方面描述实现可在高于低温温度的温度下操作的紧凑型UHV离子陷阱系统的系统、方法及结构。根据本公开的离子陷阱系统在保持在UHV环境中时进行表面处理及密封，其中不同组件经由UHV密封件连结，所述UHV密封件例如焊接接头、可压缩金属凸缘及UHV兼容焊接接头。因此，不需要低温泵，由此实现极小体积的系统。

技术研发人员：J·金,G·弗里伊森,I·茵莱克,T·诺埃尔,M·艾沃里,A·卡托,S·休斯
受保护的技术使用者：杜克大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13