Surface trap with dc-tunable ion-electrode distance
我们描述了一种新型的表面电极保罗陷阱的设计，制造和操作，产生沿轴垂直于陷阱表面的射频零。这种布置使得能够仅经由直流电极来控制垂直捕获电势并且因此控制离子-电极距离。我们证明了在平面铜涂层铝电极上方的$50~μ$ m和$300~μ$ m之间的高度处的单个$^{40}$ Ca $^+$离子的限制。我们调查在垂直方向的微动，并显示冷却的平面和垂直运动模式到基态。这种陷阱架构提供了一个平台，用于精确的电场噪声检测，捕获垂直的离子串，而没有过多的微动，并可能有可扩展的量子计算机与表面离子阱的应用。
2018-07-16 physics.atom-ph quant-ph
Ion-trap electrode preparation with Ne$^+$ bombardment
我们描述了一种非原位表面清洁程序，该程序被证明可以减少离子阱电极的运动加热。在离子阱的最终组装和真空处理之前立即实施的这种预清洁处理去除了电极制造过程之后残留的表面污染物。我们采用了多角度离子轰击处理，旨在清洁电极表面和电极间的间隙的微制造陷阱。此过程有助于最大限度地减少可能导致电气短路的电极之间间隙中的再沉积。我们报告的加热速率在以这种方式制备的针型离子阱是低一个数量级相比，类似的未经处理的针型陷阱使用相同的实验设置。
2014-06-06 physics.atom-ph quant-ph
Compatibility of trapped ions and dielectrics at cryogenic temperatures
National Institute of Standards and Technology（美国国家标准与技术研究院）；University of Colorado（科罗拉多大学）
研究了在极低温下未屏蔽电介质对离子陷阱的影响，发现电介质可引起离子加热，但可通过电压补偿，证明了集成电介质在离子陷阱中的可行性。
2026-03-09 physics.atom-ph quant-ph
vdW-corrected density functional study of electric field noise heating in ion traps caused by electrode surface adsorbates
为了实现离子阱量子计算机的全部潜力，需要更好地理解被捕获离子经历的运动加热。实验研究的温度，频率，和离子-电极距离依赖性的电场噪声负责运动加热，以及噪声之前和之后的离子轰击清洁的陷阱电极，表明吸附质偶极子的波动是一个可能的来源，所谓的“异常加热”，或运动加热的捕获的离子在一个比约翰逊噪声限制高得多的速率。先前的计算研究已经调查了模型吸附质偶极子的波动如何影响异常加热。然而，具体的吸附物影响的电场噪声的方式尚未被检查，在以前的研究中采用的电偶极子模型是准确的可能的吸附物的一小部分。在这里，我们分析了15个吸附质-电极组合在独立的波动偶极子模型内的面内和面外振动模式的行为，利用精确的第一性原理计算方法来确定表面诱导的偶极矩。我们发现吸附质的化学特性可以改变电场噪声的7个数量级，特别是软平面模式的弱吸附烃产生最大的噪声和离子加热。我们讨论了动态捕获的波动偶极模型，即吸附依赖的开启温度和电场噪声幅度，也讨论了该模型的失败再现测量的1/ $ω$噪声频率标度与一个单一的吸附物种。我们建议未来的研究方向，改进，定量预测模型的基础上扩展本框架的多个相互作用的吸附物。
2019-04-11 physics.atom-ph
Distance scaling of electric-field noise in a surface-electrode ion trap
我们研究了反常离子运动加热，限制多量子位量子逻辑门保真度在捕获离子系统，作为离子电极分离的函数。使用一个多区表面电极陷阱，其中离子可以在五个离散的距离，从金属电极，我们测量的电场的离子上的离子电极距离$d$所经历的噪声的幂律依赖性。我们发现一个缩放约$d^{-4}$，无论电极是在室温或低温下，尽管事实上，加热速率约两个数量级小，在后一种情况下。通过将噪声应用于电极的辅助测量，我们排除了测量的加热速率和缩放的技术限制。我们还测量频率缩放的固有电场噪声接近$1/f$在这两个温度。这些测量排除了考虑不具有$d^{-4}$距离依赖性的非稳态加热模型，包括当前感兴趣的几个微观模型。
2017-12-01 physics.atom-ph quant-ph
Spin Dephasing as a Probe of Mode Temperature, Motional State Distributions, and Heating Rates in a 2D Ion Crystal
我们利用自旋相关的光学偶极力来描述二维Wigner晶体的横向质心（COM）运动模式，该晶体由数百个$^9$ Be $^+$组成.通过比较由自旋相关力产生的测量自旋退相与半经典退相模型的预测，我们获得的绝对模温度与多普勒激光冷却极限和先前发表的技术（B. C. Sawyer等人，Phys. Rev. Lett. \textbf{108}，213003（2012））。此外，退相直方图的结构允许在初始热运动状态和相干运动状态之间进行区分。我们还应用这里讨论的技术来测量，第一次，环境加热速率的COM模式的2D库仑晶体在潘宁陷阱。这种测量放置在异常的单离子加热速率的上限，由于电场噪声从陷阱电极表面的$\frac{d\bar{n}}{dt}\sim 5$的$^{-1}$为我们的陷阱在795 kHz的频率，其中$\bar{n}$是平均占用的量化COM运动的轴向谐波井。
2014-01-03 physics.atom-ph physics.plasm-ph quant-ph
Characterization of fluorescence collection optics integrated with a micro-fabricated surface electrode ion trap
离子阱量子信息处理的突出挑战之一是以可缩放的方式精确地检测许多离子的状态。在表面陷阱的特定情况下，几何约束使得垂直于表面的成像吸引在多个位置处以最小串扰收集光。在这份报告中，我们描述了一个实验集成衍射光学元件（DOE的）与表面电极陷阱，通过在真空多模光纤连接。这里报道的正方形DOE均设计为立体角收集效率为3.58%;在包括所有损失的情况下，用单个Ca+离子测量的检测效率为0.388%（1.02%，不包括PMT损失）。DOE的存在对离子的稳定性影响最小，无论是在杂散电场的时间变化和运动加热速率。
2013-05-21 physics.atom-ph physics.optics quant-ph
A microscopic model of electronic field noise heating in ion traps
离子在微阱中的运动加热是阻碍大规模量子处理装置实验实现的一个挑战。最近，一系列的测量表面电极离子阱的加热速率的特点，其频率，距离和温度的依赖性，但我们的理解这种噪声的微观起源仍然是模糊的。在这项工作中，我们开发了一个理论模型的电场噪声，这是与一个随机分布的吸附原子的陷阱电极表面。通过第一性原理计算吸附原子的涨落偶极矩，我们计算了所产生的电场涨落谱的距离、频率和温度依赖性，并通过合并所有相关的振动态，计算了超出二能级涨落标准情形的噪声谱。的$1/f$噪声示出开始在大致的基本声子跃迁速率的频率和$d^{-4}$依赖与距离的离子从电极表面建立。
2011-08-17 physics.atom-ph quant-ph
Multi-junction surface ion trap for quantum computing
Sandia National Laboratories（桑迪亚国家实验室）；Duke University（杜克大学）
针对表面离子阱射频电极增大带来的功耗上升难题，研究人员通过抬高射频电极、移除下方大部分绝缘介电层降低了两类功耗，并测试了不同条件下的加热速率，推进了量子计算离子阱的可扩展性。
2024-03-01 physics.atom-ph quant-ph
Scalable Multispecies Ion Transport in a Grid-Based Surface-Electrode Trap
提出一种在基于网格的表面电极陷阱中控制多物种离子晶体的可扩展方法，通过共线连接与条件电压交换实现高效输运与重排，并在两种离子晶体实验中验证了其低激发与高频交换特性。
2024-11-18 physics.atom-ph quant-ph
Reduction of trapped ion anomalous heating by in situ surface plasma cleaning
反常运动加热是囚禁离子可扩展量子信息处理的主要障碍。虽然这种加热的来源还不清楚，但以前的几项研究表明，表面污染物可能是主要原因。我们证明了一个改进的四个因素，在室温下的铌表面电极陷阱的加热速率通过原位等离子体清洗的陷阱表面。这种表面处理是用一个简单的自制线圈组件和商业上可用的匹配网络进行的，并且比其他处理（如离子铣削或激光清洗）要温和得多，这些处理之前已被证明可以提高离子加热速率。我们没有看到一个改进的加热速率时，在低温下操作的陷阱，指出热激活的表面污染物在运动加热的作用，其活动可能会冻结在低温下。
2015-05-14 physics.atom-ph
Ground state sideband cooling of an ion in a room temperature trap with a sub-Hertz heating rate
我们证明了解决边带激光冷却的一个单一的40 Ca+离子在一个宏观的线性射频陷阱与径向对角电极间距为7毫米和射频驱动频率仅为3.7 MHz。对于沿无射频场轴的585 kHz的振荡频率，已经实现了99 ± 1%的基态布居，对应于仅6微开尔文的温度。对于范围在285 - 585 kHz的几个振荡频率，在室温下测量到低于每秒一个运动量子的加热速率。测得的最低加热功率比先前在室温下以及低温冷却阱中报道的低约一个数量级。
2012-05-10 physics.atom-ph quant-ph
Microwave Near-Field Quantum Control of Trapped Ions
25Mg+离子的自旋和运动自由度的微波近场量子控制可用于产生两离子纠缠，如最近在Ospelkaus等人[Nature 476，181（2011）]中所证明的。在这里，我们描述了这些实验的设置和校准程序的其他细节。我们讨论了表面电极阱和微波系统的设计和特性，并将微波近场的实验测量与数值模拟进行了比较。此外，我们提出了一种方法，利用振荡磁场梯度检测微动引起的有质动力的射频电位在线性陷阱。最后，我们讨论了微波驱动的双离子纠缠门在我们的系统目前的局限性。
2012-11-28 physics.atom-ph quant-ph
Monolithic Segmented 3D Ion Trap for Quantum Technology Applications
Rice University（莱斯大学）；Duke University（杜克大学）；University of Maryland, College Park（马里兰大学帕克分校）
本文提出一种单体分段三维Paul阱，用于实现高精度离子捕获与低加热率，通过Yb+离子验证了其在量子计算中的应用潜力。
2026-03-31 physics.atom-ph quant-ph
Electronic detection of charged particle effects in a Penning trap
我们提出了一个彻底的分析的电子检测带电粒子，局限在潘宁陷阱，通过图像电荷在陷阱电极中诱导。带电粒子在电极结构中的俘获导致频率偏移，这是由于图像电荷和空间电荷效应。这些效应对于涉及高电荷密度或需要高运动频率精度的潘宁陷阱实验是重要的。我们的图像电荷的分析表明，只有（高阶）奇功率的粒子位移导致感应电荷的差异，从而产生一个信号。这意味着，除了被捕获的粒子云的质心频率之外，更高阶的单个粒子频率也会感应出信号，该信号可以由附接到陷阱电极的电子检测电路拾取。我们还推导出图像电荷和空间电荷引起的频率偏移的解析表达式，并进行空间电荷效应的模拟。在这方面，我们讨论的后果的转移粒子频率的粒子运动的电阻冷却。
2006-08-04 physics.atom-ph
Microstructured Stark Decelerator
斯塔克减速器是控制极性分子运动自由度的有效工具。由于技术限制，目前的许多斯塔克减速器集中在低场寻求量子态的分子上，并且基于固定的电极尺寸和间距（A型架构）构建。在这里，我们提出了一种替代方法的基础上，一个不同的架构，所谓的B型，微结构电极和一个简单的电场脉冲定时与生产冷，准CW分子束的前景。我们用模拟证明了这种方法的可行性，并表明，一个2厘米的减速器，包括100个阶段，可以使分子从200米/秒到近静止在约150微秒。随后，分子可以以相稳定的方式重新加速到200 m/s。我们的模拟集中在纵向传输留下的横向约束的问题，为未来的研究。这项工作指出了一种将极性分子加速器与固态电子学相结合的可能方法。
2017-05-24 physics.atom-ph
Surface science motivated by heating of trapped ions from the quantum ground state
在过去的25年里，从附近的电极表面捕获的离子的异常加热继续显示出意想不到的结果。由电场噪声引起的离子运动模式的加热仍然是用捕获离子进行可扩展量子计算的障碍。这种电场噪声的异常特征之一是报告的非单调行为的加热速率时，一个陷阱是逐步清洁离子轰击。出于这个结果，本工作报告的表面分析的样品离子阱电极处理类似的Ar $^+$离子轰击的增量剂量。开尔文探针力显微镜和X-射线光电子能谱学被用来研究如何在电极表面上的功函数变化取决于每个处理之间的残留污染物覆盖。结果表明，所制造的Au电极覆盖有烃膜，该烃膜在第一次处理后被改性，从而导致类似于Au上的原子状碳的功函数和核能级结合能。每个治疗的功函数的空间分布的变化，结合所建议的现象学的覆盖面和表面电位粗糙度依赖于加热，似乎与先前报道的非单调行为。
2021-10-03 cond-mat.mtrl-sci physics.atom-ph
Measurements of trapped-ion heating rates with exchangeable surfaces in close proximity
来自离子阱电极表面的电场噪声耦合到离子的电荷，导致离子运动模式的加热。这种加热限制了在量子信息处理实验中实现的量子门的保真度。从表面产生电场噪声的确切机制还没有得到很好的理解，仍然是一个活跃的研究领域。在这项工作中，我们详细的实验旨在测量离子运动加热速率与可交换的表面定位在靠近离子，作为电场噪声的传感器。我们已经准备了各种表面条件的样品，其特征在于在原位扫描探针显微镜和电子光谱，范围内的清洁度和结构顺序。然而，加热速率数据显示，探测的不同表面之间没有显著差异。这些结果表明，电场噪声从表面的驱动机制是由于不仅仅是热激发。
2017-01-17 cond-mat.mtrl-sci physics.atom-ph
Microwave quantum logic gates for trapped ions
在量子水平上控制物理系统是计量学、信息处理、模拟和化学等领域科学家的共同目标。对于囚禁的原子离子，量子化的运动自由度和内部自由度可以用激光进行相干操纵。类似的控制很难用射频或微波辐射实现，因为内部自由度和运动之间的基本耦合需要在原子运动的范围内显著的场变化。对于自由传播的场，在这些频率下的场梯度可以忽略不计;然而，在小于自由空间波长的结构中，在微波电流的近场中可以产生更强的梯度。在这里报道的实验中，我们相干操纵的内部量子态的离子的时间尺度为20 ns。我们还利用适合于一般量子计算的门操作在两个原子的内部自由度之间产生纠缠。我们通过集成到微制造陷阱结构中的电极中的微波电流的磁场来实现这两种操作，并创建保真度为76（3）%的纠缠态。这种方法，其中量子控制机制以可扩展的方式集成到捕获设备中，可以潜在地有益于量子信息处理、模拟和光谱学。
2011-06-09 physics.atom-ph quant-ph
Electric-field noise from carbon-adatom diffusion on a Au(110) surface: first-principles calculations and experiments
囚禁离子量子门运动模加热引起的退相干是一个基本的科学和工程问题。这种加热归因于从阱电极表面产生的电场噪声。在这项工作中，我们调查了这种噪音的来源，重点是含碳吸附物在Au（110）表面上的扩散。我们展示了密度泛函理论，详细的扫描探针显微镜的基础上，碳吸附原子的扩散在金表面上的能量景观的变化，以及吸附原子的偶极矩如何随着扩散运动而变化。一个简单的扩散噪声模型，它随偶极矩的变化二次变化，定性地再现了测量的噪声谱，噪声谱密度的估计是符合测量值。
2016-10-12 cond-mat.mes-hall physics.atom-ph
Arbitrary Waveform Generator for Quantum Information Processing with Trapped Ions
限制在多电极陷阱中的原子离子已经被提出作为可扩展的量子信息处理的基础。该方案涉及通过使用时变电势结合用于特定位置中的量子逻辑的激光或微波脉冲在空间上不同的位置之间传输离子。我们报告了一个快速的多通道任意波形发生器的发展，适用于运输和整形量子逻辑脉冲的时变电势。该发生器是基于一个现场可编程门阵列控制的16位数字模拟转换器与更新频率为50 MHz和$\pm$ 10 V的输出范围的合奏。波形发生器的更新速率比在我们的实验中的约束离子的相关运动频率快得多，允许非绝热控制的离子运动。可以选择多组预加载的时变电压，延迟为40 ns，以实时信号为条件。在这里，我们描述了该设备，并展示了它的一些使用离子为基础的量子信息实验，包括离子传输的速度和激光和微波脉冲的整形。
2013-02-28 physics.atom-ph
