使用微加工表面离子阱捕获离子的实验方法

本实验的总体目标是制备并演示一种用于囚禁镱离子的实验装置，该装置包含一个微加工芯片。离子阱技术被认为是实现量子信息处理的最具前景的物理方案之一。本实验提供了微加工囚禁芯片的详细制备流程，以及利用该微加工离子阱芯片构建实验装置以囚禁离子的具体步骤。

通过微加工技术开发的离子阱系统，在量子信息处理和量子计算方面具有巨大潜力。本文介绍的实验方案将指导离子阱的制备流程及实验系统的搭建。该方法的可视化演示至关重要，因为其实现需要协调多种组件，包括激光器、成像系统、真空腔室、电子学设备以及微加工装置。

进行实验时，首先需要制备表面离子阱芯片。这是本演示中安装在载体上的芯片示例。该芯片的结构特征在此示意图中展示，其中包括一个装载槽，用于引入中性原子。

在进样槽的两侧，设有射频电极，用于在垂直于槽的方向上约束离子。外侧电极上的直流电压用于沿此槽方向约束离子。内侧电极上的直流电压有助于倾斜总势场的主轴方向。

进行实验时，将封装好的芯片安装在超高真空腔室中。本例中，芯片位于球形八角腔室的中心。超高真空系统的各个组成部分在此示意图概览中展示。

离子泵和非蒸发型吸气剂可实现低于 3 × 10⁻¹¹ Torr 的真空度。球形八边形腔体中包含一个装载镱原子的炉子。在最终光学装置示意图中，球形八边形腔体位于中心位置。

微型制造的芯片位于八角形装置的中心。馈通结构允许电连接八角形装置加热炉内的芯片电极。光学元件的排列方式使得三束二极管激光的光束在捕获位置处重叠。

球形八边形中的凹陷观察窗可使成像镜头靠近芯片表面。使用电子倍增CCD相机对芯片表面进行成像。将多通道电缆连接至数模转换器。

将多通道电缆的另一端连接到球形八边形的馈通接口。此外，将相应的馈通接口连接至螺旋谐振器。接着，使用该谐振器、频谱分析仪和定向耦合器进行操作。

将射频发生器的输出端连接至定向耦合器的输出端，再将谐振器的输入端与定向耦合器的输入端口相连。将正向耦合端口连接至频谱分析仪的射频输入端。

使用一个50欧姆的电阻终止反向耦合端口。现在，准备调节螺旋谐振器的调谐帽。设定螺旋谐振器调谐帽的位置，然后扫描信号发生器的频率，以确定反射最小时所对应的频率。

通过调节顶端位置继续调谐谐振器。同时，监测频率扫描以找到反射功率全局最小值对应的频率。当找到全局最小值时，锁定谐振器顶端的位置。

继续操作前，请关闭射频发生器。为确保安全，所有激光器应就位、稳定并处于遮挡状态。解除369.5纳米激光器的遮挡，并准直光束。

光束应朝向被固定的芯片传播。将光束调整至与芯片平行，并几乎接触其表面。在光束入射点的对面使用光束检测卡测试准直情况，若光斑显示光束未从任何表面反射，则表明准直正确。

接下来，将聚焦透镜安装在平移台上。放置透镜，使光束在靠近捕获势阱的位置聚焦，同时仍保持与芯片表面平行。然后继续进行成像光学系统的工作。

选择一个安装在平移台上的高数值孔径成像镜头，并将其置于超高真空腔体的凹入式窗口前方。此图为成像镜头安装到位后的装置示意图。

接下来，调整激光光束，使其在芯片表面产生一定的散射。像之前一样使用光束卡确认光束被部分遮挡。然后将光束卡移至成像透镜的像平面附近。

使用平移台调整成像透镜的位置。新的位置应使散射光在光束卡上形成清晰的图像。现在，将电子倍增CCD放置在透镜成像平面的平移台上。

在CCD前放置一个带通滤光片，以阻挡背景光。使用CCD和镜头组应能清晰观察到电极。接下来，调整光束的垂直方向，使其穿过捕获势场。

然后监测光束，并将其移向捕获表面。假设光束散射达到最大，即表示光束中心已位于芯片表面。此时，使用透镜平移台将光束移动至预期的捕获势阱高度。

完成该调整后，将成像镜头和CCD的平移台向后移动相同距离，并记录位置。这是此时系统的示意图。光束穿过预期的捕获位置。

在解除另外两台激光器的封锁后继续操作，并开始对其进行准直。将CCD前方的带通滤光片更换为399纳米带通滤光片，然后调节成像透镜和CCD的位置，使电极在CCD上清晰聚焦。

调节准直的399纳米光束，使其进入真空腔，并与369.5纳米光束反向传播且相互重叠。引入一个反射镜和二向色镜，将两束光合并，使它们在腔内共线传播。测试时，可在进入腔体前的光路中临时加入一个反射镜，并使用光束分析仪检查光束的重叠情况。

在二向色镜和临时镜之间的光路中，将聚焦透镜引入平移台。使用光束分析仪检查两束光的聚焦情况。在此情况下，两束激光的聚焦点并未落在同一位置，而它们本应如此。

最后，调整935纳米激光的光路，使各束激光重合。完成后，移除临时反射镜，并确保可在CCD上观察到399纳米的光束。将光束在垂直方向上与预期的捕获位置对准，然后将光束移向芯片。

观察CCD图像，并将散射光的最大强度与光束在芯片表面居中对齐。然后将光束从表面移动至预期的捕获位置。接着将成像透镜和CCD向后移动相同的距离。

然后，将399纳米激光器调至接近镱-174的适当跃迁波长。开启装载有镱的炉子并逐渐增大电流，同时扫描激光通过镱的共振峰，观察荧光信号以监测CCD图像，从而通过荧光变化识别蒸发过程的起始点。

在荧光出现前记录当前数值，然后关闭烘箱。进行离子捕获的最后准备工作。返回至CCD处的带通滤光片，将其更换为369.5纳米带通滤光片。

此外，调整 CCD 和成像镜头的位置以实现 368.5 纳米的聚焦。设置控制电极的数模转换器的电压。然后前往连接至螺旋谐振器的射频发生器。

将发生器调至极低功率并开启，然后逐渐增加输出功率。在激光控制计算机上，将激光频率和炉子电流源设置为相应的数值。数分钟后，短暂遮挡935纳米激光1到2秒，以启动捕获测试。

使用CCD观察离子阱。如果离子被成功捕获，散射速率会显著下降，图像也会明显变化。多次阻断激光，以确认阻断与图像变化相关联。

离子被捕获后，关闭炉子。这幅由电子倍增CCD图像合成的图显示了被囚禁在微加工离子阱芯片中的五个镱-174 1+离子的位置。通过改变施加的直流电压，可以调节被捕获离子的数量。

在本视频中，通过改变离子阱的直流电压来操控被囚禁的离子。视频展示了表面离子阱的制备工艺以及囚禁镱-174同位素离子的实验方法。该方法可轻松拓展用于囚禁镱-171同位素离子，并操控立方级结构，最终实现量子信息处理与量子计算。