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▶ ユニバーシティ オブ メリーランド， カレッジ パークの特許一覧
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-11-15
(45)【発行日】2023-11-24
(54)【発明の名称】極低温トラップイオンシステム
(51)【国際特許分類】
G06N 10/00 20220101AFI20231116BHJP
H01J 49/42 20060101ALI20231116BHJP
【ＦＩ】
G06N10/00
H01J49/42 550
【請求項の数】
13
(21)【出願番号】P 2020563685
(86)(22)【出願日】2019-05-10
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2021-09-02
(86)【国際出願番号】 US2019031779
(87)【国際公開番号】W WO2019217858
(87)【国際公開日】2019-11-14
【審査請求日】2022-03-23
(31)【優先権主張番号】62/670,100
(32)【優先日】2018-05-11
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】16/408,151
(32)【優先日】2019-05-09
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(73)【特許権者】
【識別番号】520159592
【氏名又は名称】ユニバーシティ オブ メリーランド， カレッジ パーク
(74)【代理人】
【識別番号】100120891
【弁理士】
【氏名又は名称】林 一好
(74)【代理人】
【識別番号】100165157
【弁理士】
【氏名又は名称】芝 哲央
(74)【代理人】
【識別番号】100205659
【弁理士】
【氏名又は名称】齋藤 拓也
(74)【代理人】
【識別番号】100126000
【弁理士】
【氏名又は名称】岩池 満
(74)【代理人】
【識別番号】100185269
【弁理士】
【氏名又は名称】小菅 一弘
(72)【発明者】
【氏名】モンロー クリストファー
(72)【発明者】
【氏名】パガノ グイド
(72)【発明者】
【氏名】ヘス ポール ダブリュー．
(72)【発明者】
【氏名】カプラン ハーヴェイ ビー．
(72)【発明者】
【氏名】タン ウェン リン
(72)【発明者】
【氏名】リチャーム フィリップ ジェイ．
【審査官】多賀 実
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第２０１５／１２８４３８（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２００７－１９３７７８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２００５－５２５５４８（ＪＰ，Ａ）
【文献】G. Pagano et al.，"Cryogenic Trapped-Ion System for Large Scale Quantum Simulation"，arXiv.org [online]，arXiv:1802.03118v1，米国，Cornell University，2018年02月，pp.1-24，[2023.04.06 検索], インターネット:<https://arxiv.org/pdf/1802.03118v1.pdf>
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０６Ｎ １０／００－１０／８０
Ｇ０１Ｂ ９／００－１１／３０
Ｆ２５Ｂ ９／００－１１／０４
Ｆ２５Ｄ １９／００－１９／０４
Ｈ０１Ｊ ４０／００－４９／４８
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
量子情報処理（ＱＩＰ）システムにおいて低周波振動を補償するための方法であって、イオンを有するイオントラップを保持しているトラップホルダの低周波振動を測定するステップであって、
前記イオントラップ内の前記イオンの少なくとも1つに適用される2つのラマンレーザビームのうちの1つの光路に平行な光路にレーザビームを導入するステップであって、前記1つのラマンレーザビームの光路、および前記レーザビームの前記平行な光路は、共通の少なくとも１つの光学構成要素を有し、前記レーザビームおよび前記１つのラマンレーザビームは、異なる波長を有する、ステップと、
前記トラップホルダに取り付けられたセンサミラーに前記平行な光路に沿って前記レーザビームを提供するステップと、
前記センサミラーからの前記レーザビームの反射に基づいて干渉測定を実行するステップと、
を含む、測定するステップと、
前記１つのラマンレーザビームの前記光路と関連する１つまたは複数の光学構成要素を調整するために、前記干渉測定に基づいて、制御信号を生成するステップと、
前記制御信号を使用して、前記１つまたは複数の光学構成要素の動作を制御するステップと、
を含む、低周波振動を補償するための方法。
【請求項2】
前記低周波振動を測定するステップは、振動を測定することを含み、前記干渉測定は、マイケルソン干渉計を使用して、実行される、請求項１に記載の低周波振動を補償するための方法。
【請求項3】
前記制御信号を生成するステップは、フィードフォワード信号を生成することを含む、請求項１に記載の低周波振動を補償するための方法。
【請求項4】
前記制御信号を生成するステップは、フィードバック信号を生成することを含む、請求項１に記載の低周波振動を補償するための方法。
【請求項5】
前記１つまたは複数の光学構成要素が、１つまたは複数の音響光学変調器、電気光学変調器、音響光学変調器および電気光学変調器とは異なる光変調器、または複数のレーザを含む、請求項１に記載の低周波振動を補償するための方法。
【請求項6】
前記制御信号を使用して、前記１つまたは複数の光学構成要素の前記動作を制御するステップは、前記１つまたは複数の光学構成要素の少なくとも１つの位相を制御することを含む、請求項１に記載の低周波振動を補償するための方法。
【請求項7】
前記１つまたは複数の光学構成要素の前記少なくとも１つの位相を制御することは、前記低周波振動によって引き起こされる前記トラップホルダのイオントラップ内のイオンの移動に対抗するように行われる、請求項６に記載の低周波振動を補償するための方法。
【請求項8】
前記ＱＩＰシステムは極低温システムであり、前記低周波振動は前記極低温システムの密閉サイクルチラーによって引き起こされる、請求項６に記載の低周波振動を補償するための方法。
【請求項9】
量子情報処理（ＱＩＰ）システムであって、前記ＱＩＰシステムにおける低周波振動を補償するために、イオンを有するイオントラップを保持しているトラップホルダの低周波振動を測定するための手段であって、
前記イオントラップ内の前記イオンの少なくとも1つに適用される2つのラマンレーザビームのうちの1つの光路に平行な光路にレーザビームを導入するための手段であって、
前記1つのラマンレーザビームの光路、および前記レーザビームの前記平行な光路は、共通の少なくとも１つの光学構成要素を有し、前記レーザビームおよび前記１つのラマンレーザビームは、異なる波長を有する、手段と、
前記トラップホルダに取り付けられたセンサミラーに前記平行な光路に沿って前記レーザビームを提供するための手段と、
前記センサミラーからの前記レーザビームの反射に基づいて干渉測定を実行するための手段と、
を含む、測定するための手段と、
前記１つのラマンレーザビームの前記光路と関連する１つまたは複数の光学構成要素を調整するために、前記干渉測定に基づいて、制御信号を生成するための手段と、
前記制御信号を使用して、前記１つまたは複数の光学構成要素の動作を制御するための手段と、
を含む、量子情報処理（ＱＩＰ）システム。
【請求項10】
量子情報処理（ＱＩＰ）システムにおいて低周波振動を補償するためにプロセッサによって実行可能な命令を有するコードを記憶するコンピュータ可読媒体であって、イオンを有するイオントラップを保持しているトラップホルダの低周波振動を測定するためのコードであって、
前記イオントラップ内の前記イオンの少なくとも1つに適用される2つのラマンレーザビームのうちの1つの光路に平行な光路にレーザビームを導入するためのコードであって、前記1つのラマンレーザビームの光路、および前記レーザビームの前記平行な光路は、共通の少なくとも１つの光学構成要素を有し、前記レーザビームおよび前記１つのラマンレーザビームは、異なる波長を有する、コードと、
前記トラップホルダに取り付けられたセンサミラーに前記平行な光路に沿って前記レーザビームを提供するためのコードと、
前記センサミラーからの前記レーザビームの反射に基づいて干渉測定を実行するためのコードと、
を含む、測定するためのコードと、
前記１つのラマンレーザビームの前記光路と関連する１つまたは複数の光学構成要素を調整するために、前記干渉測定に基づいて、制御信号を生成するためのコードと、
前記制御信号を使用して、前記１つまたは複数の光学構成要素の動作を制御するためのコードと、
を含む、コンピュータ可読媒体。
【請求項11】
前記レーザビームの波長が６３２ｎｍであり、前記１つのラマンレーザビームの波長が３５５ｎｍである、請求項６に記載の低周波振動を補償するための方法。
【請求項12】
前記制御信号を使用して、前記１つまたは複数の光学構成要素の前記動作を制御するステップは、前記１つのラマンレーザビームの光路内のピエゾ制御ミラーを制御することを含む、請求項６に記載の低周波振動を補償するための方法。
【請求項13】
前記イオンを有する前記イオントラップを保持している前記トラップホルダは、ＱＩＰシステムの４Ｋ極低温領域内に配置される、請求項６に記載の低周波振動を補償するための方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
（政府実施許諾権）
本発明は、情報先端研究プロジェクト活動（ＩＡＲＰＡ）によって与えられた承認／契約第０３１３０６３８号に基づく政府支援によってなされた。米国政府は、本発明に一定の権利を有する。
本発明は、情報先端研究プロジェクト活動（ＩＡＲＰＡ）によって与えられた承認／契約第０３１３０６３８号に基づく政府支援によってなされた。米国政府は、本発明に一定の権利を有する。
【0002】
（関連出願の相互参照）
本特許出願は、２０１９年５月９日出願の「極低温トラップイオンシステム」と題する米国非仮出願第１６／４０８，１５１号、および２０１８年５月１１日出願の「極低温トラップイオンシステム」と題する米国仮特許出願第６２／６７０，１００号の優先権を主張するものであり、その内容は、その全体が参照として本明細書に組み込まれる。
本特許出願は、２０１９年５月９日出願の「極低温トラップイオンシステム」と題する米国非仮出願第１６／４０８，１５１号、および２０１８年５月１１日出願の「極低温トラップイオンシステム」と題する米国仮特許出願第６２／６７０，１００号の優先権を主張するものであり、その内容は、その全体が参照として本明細書に組み込まれる。
【0003】
本開示の態様は、一般に、量子情報処理システムに関し、より具体的には、大規模量子シミュレーションを含む、大規模量子動作のための極低温トラップイオンシステムに関する。
【背景技術】
【0004】
トラップされた原子イオンは普遍的で完全にプログラム可能な機械を供給してきた量子情報処理（ＱＩＰ）アプローチの１つである。トラップされた原子イオンは、また量子情報ネットワーク（ＱＩＮ）のための主要なプラットフォームであり、そこで、長寿命の同一量子ビットメモリが、それらのクーロン相互作用を通して局所的に絡み合い、フォトニックチャネルを通して遠隔的に絡み合うことができる。室温で動作するトラップされた原子イオンに基づくシステムは、残留バックグラウンド分子または原子とトラップされた原子イオンとの間で衝突が生じることがあり、これらの衝突によって、トラップされた原子イオンを伴った結晶または格子が融解することがあり、このような回復が可能である場合、動作を継続するために一定および／または高速の回復を必要とすることがある。
【0005】
したがって、残留バックグラウンド分子または原子によって引き起こされる圧力を低下させることができる、トラップされた原子イオンに基づくシステムは、そのようなシステムの全体的な性能を改善するために望ましい。
【発明の概要】
【0006】
以下は、そのような態様の基本的な理解を提供するために、１つまたは複数の態様の簡略化された発明の概要を提示する。この発明の概要は、すべての企図された態様の広範な概観ではなく、すべての態様の重要なまたは重要な要素を識別することも、任意のまたはすべての態様の範囲を線引きすることも意図されていない。その目的は、後に提示されるより詳細な説明の前置きとして、１つまたは複数の態様のいくつかの概念を簡略化された形態で提示することである。
【0007】
本開示の一態様では、トラップイオンシステムを動作させるための方法が記載され、この方法は、トラップ内のイオンの鎖を極低温にするステップであって、トラップは微細加工トラップである、ステップと、トラップ内のイオンの鎖を極低温で使用して、量子計算、シミュレーション、またはその両方を実行するステップと、を含む。トラップは、例えば、少なくとも３０個のイオンを含むことができる。
【0008】
本開示の別の態様では、極低温トラップイオンシステムにおいて圧力測定を実行するための方法を記載し、この方法は、極低温トラップイオンシステムにおいてジグザグイオン鎖を確立するステップと、ジグザグイオン鎖の構成の変化を検出するステップと、構成の変化の検出に基づいて圧力の測定値を決定するステップ、とを含む。
【0009】
本開示の別の態様では、量子情報処理（ＱＩＰ）システムにおいて低周波数振動を補償する方法が記載され、この方法は、低周波数振動を測定するステップと、１つまたは複数の光学構成要素を調整するために、測定に基づいて制御信号を生成するステップと、制御信号を使用して１つまたは複数の光学構成要素を制御するステップと、を含む。
【0010】
本開示の別の態様では、トラップイオンシステムを動作させるための量子情報処理（ＱＩＰ）システムが記載され、このＱＩＰシステムは、トラップ内のイオンの鎖を極低温にするための手段であって、トラップは、微細加工トラップであり、イオンの鎖は、少なくとも３０個のイオンを有する、手段と、トラップ内のイオンの鎖を極低温で使用して、量子計算または量子シミュレーションの一方または両方を実行するための手段と、を含む。
【0011】
本開示の別の態様では、極低温トラップイオンシステムにおいて圧力測定を実行するためのＱＩＰシステムが記載され、このＱＩＰシステムは、極低温トラップイオンシステムにおいてジグザグイオン鎖を確立するための手段と、ジグザグイオン鎖の構成の変化を検出するための手段と、構成の変化の検出に基づいて圧力の測定値を決定するための手段と、を含む。
【0012】
本開示の別の態様では、ＱＩＰシステムにおける低周波振動を補償するためのＱＩＰシステムが記載され、このＱＩＰシステムは、低周波振動を測定するための手段と、測定に基づいて制御信号を生成して１つまたは複数の光学構成要素を調整するための手段と、制御信号を使用して１つまたは複数の光学構成要素の動作を制御するための手段と、を含む。
【0013】
本開示の別の態様では、トラップイオンシステムを動作させるために、プロセッサによって実行可能な命令を有するコードを記憶するコンピュータ可読媒体が記載され、このコンピュータ可読媒体は、トラップ内のイオンの鎖を極低温にするためのコードであって、トラップは、微細加工トラップであり、イオンの鎖は、少なくとも３０個のイオンを有する、コードと、トラップ内のイオンの鎖を極低温で使用して、量子計算または量子シミュレーションの一方または両方を実行するためのコードと、を含む。
【0014】
本開示の別の態様では、極低温トラップイオンシステムにおいて圧力測定を実行するためのプロセッサによって実行可能な命令を有するコードを記憶するコンピュータ可読媒体が記載され、このコンピュータ可読媒体は、極低温トラップイオンシステムにおいてジグザグイオン鎖を確立するためのコードと、ジグザグイオン鎖の構成の変化を検出するためのコードと、構成の変化の検出に基づいて圧力の測定を決定するためのコードと、を含む。
【0015】
本開示の別の態様では、ＱＩＰシステムにおける低周波振動を補償するためにプロセッサによって実行可能な命令を有するコードを記憶するコンピュータ可読媒体が記載され、このコンピュータ可読媒体は、低周波振動を測定するためのコードと、１つまたは複数の光学構成要素を調整するために測定に基づいて制御信号を生成するためのコードと、制御信号を使用して、１つまたは複数の光学構成要素の動作を制御するためのコードと、を含む。
【0016】
添付の図面は、いくつかの実施態様のみを示しており、したがって、範囲を限定するものと見なされるべきではない。
【図面の簡単な説明】
【0017】
【図1(a)】本開示の態様による極低温真空装置の一例を示す図である。
【図1(b)】本開示の態様による極低温真空装置の一例を示す図である。
【図2】本開示の態様による典型的な冷却サイクルの一例を示す図である。
【図3】本開示の態様によるブレードイオントラップの一例を示す図である。
【図4】本開示の態様による、温度の関数としての共振器Ｑ値および無線周波数（ＲＦ）反射パワーの一例を示す図である。
【図5】本発明の態様による１７１Ｙｂ＋イオンの線状鎖の一例を示す図である。
【図6】（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、本開示の態様による３つのトラップ主軸心に沿った振動の例を示す図である。
【図7】本開示の態様による振動測定のための干渉計セットアップの一例を示す図である。
【図8】（ａ）および（ｂ）は、本開示の態様によるｙ軸に沿った改善された振動の一例を示す図である。
【図9】本開示の態様による、温度の関数としての平均暗イオン速度の一例を示す図である。
【図10】本開示の態様によるジグザグイオン鎖の一例を示す図である。
【図11】（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、本開示の態様による均一に離間したイオン鎖の一例を示す図である。
【図12】本開示の態様による低周波振動を補償するためのフィードバック技術の一例を示す図である。
【図13】本開示の態様による方法の一例を示すフロー図である。
【図14】本開示の態様による別の方法の一例を示すフロー図である。
【図15】本開示の態様によるさらに別の方法の一例を示すフロー図である。
【図16】本開示の態様によるトラップイオンベースのＱＩＰシステムの一例を示すブロック図である。
【図17】本開示の態様によるコンピュータデバイスの一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0018】
添付の図面に関連して以下に記載される詳細な説明は、様々な構成の説明として意図されており、本明細書で説明される概念が実施され得る唯一の構成を表すことを意図していない。詳細な説明は、様々な概念の完全な理解を提供する目的で、特定の詳細を含む。しかしながら、これらの概念は、これらの特定の詳細なしに実施されてもよいことは、当業者には明らかであろう。場合によっては、そのような概念を曖昧にすることを避けるために、周知の構成要素がブロック図の形態で示される。
【0019】
本開示の様々な態様が、以下でより詳細に提示される。一般に、本開示は、圧力を低下させるために、極低温環境であるトラップされた原子イオンのための低温環境の使用を提案する。すなわち、トラップイオンに衝突する残留ガスに起因するトラップされた原子イオン装置の制約を改善することが目的の１つである。
【0020】
室温でトラップされたイオンシステムは、非常に規則的に起こる残留バックグラウンド分子（または原子）間の衝突を経験し得る。例えば、６０個程度の原子イオンを有する大きなシステムでは、衝突はほぼ毎分起こり、イオンの１つが衝突すると、イオンを含むように形成された鎖、結晶、または格子全体が溶融することができる。これは、毎分衝突から回復する必要性を引き起こし、システム動作を妨げる。
【0021】
極低温システム（例えば、２０ケルビン（Ｋ）未満の温度で、４Ｋまたはそれに近い温度を含む）を使用することによって、分子または原子が表面に付着し、自由に動かない傾向があるので、バックグラウンドガス圧力ははるかに良好である。これは、衝突問題を低減するための強引なアプローチであるが、効果的なアプローチである。このように圧力を低下させることにより、衝突がほとんど起こらない。しかしながら、これは、衝突を一度に１つ検出し、診断目的のためにこれらの検出を使用する機会を開く。
【0022】
トラップされたイオン量子計算のために極低温システムを使用する別の態様は、イオントラップのために高電圧無線周波数（ＲＦ）信号が電極に印加され、電極の熱負荷および高温を引き起こし得るということである。４Ｋまたはその近傍で動作を維持しようとする場合、この熱負荷は問題となり得る。さらに、ＲＦ源は同調回路であり、同調はより低い温度で変化する。したがって、より低い温度で行われるあらゆる変更がＲＦ源を適切なチューニングで配置するように、操作の前にＲＦ源を事前にチューニングする必要があるかもしれない。
【0023】
これらは、トラップされたイオンの動作のための極低温システムの使用の様々な態様であり、トラップされたイオンの数と共に衝突の可能性が増加するので、大規模システム（例えば、２５、３０、３５、４０、４５、５０、６０、７０、８０、９０、または１００個を超えるイオンを有するシステム）での動作を可能にするために必要とされ得る。衝突の可能性が増加するにつれて、トラップされたイオンとの鎖が溶融し、何らかの形態の回復プロセスを必要とする可能性が増加する。そのような回復プロセスが定期的に必要とされ、かなりの量の時間を要する場合、システムの全体的な動作が著しく劣化する可能性がある。これらの状況を回避または軽減するために、低温システムを用いてバックグラウンド圧力、したがって衝突の可能性を軽減することができる。
【0024】
上述したように、低温システムの使用に伴い、衝突を一度に１つずつ検知し、これらの検知を例えば圧力ゲージまたはセンサのような診断目的に使用することが可能である。この開示において提案される１つの技術は、トラップされたイオンの線状鎖を有すること、および線状鎖が衝突に対して非常に敏感であり得るので、この線状鎖を圧力検出のために使用することである。線状鎖との衝突が壊滅的な事象であれば、結晶または格子全体が融解し、トラップされたイオンは暗くなる。トラップされたイオンは、戻ってくるかもしれないが、これは、非常に速く起こる可能性があり、見ることも検出することもできない。
【0025】
もし線状鎖が、その代わりに締め付けられた場合、最初に起こることは、座屈してジグザグ配置（例えば、図１０参照）を形成し、次いで、それが再び線状に近くなるように少しゆるめることによって、鎖は、壊れやすく、いかなる摂動に対しても高感度である。そのように、もしこの条件の間に鎖が１回衝突すると、鎖は５０％の確率で「ジグ」の配置から「ザグ」の配置に変わることができる。これを見る１つの方法は、鎖が中央で座屈して、「Ｗ」または「Ｍ」を形成するということである。次に、「Ｍ」が「Ｗ」に変わったとき、あるいは「Ｗ」が「Ｍ」に変わったときに、配置の変化が見えたり検出されたりする。
【0026】
粒子と結晶または格子とトラップされたイオンとの間の相互作用は、異なる種類のものであり得る。衝突が弾性衝突であるときはいつでも、基本的に粒子（例えば、分子または原子）が結晶に到達し、結晶と相互作用し、その後、消える。しかし、粒子と結晶中のイオンとの間の相互作用がイオンを分子に変換させる衝突、または蛍光を発しない内部電子状態を非弾性的に集団化させる衝突が発生する可能性があり、いずれの場合もイオンを暗くさせ、これを検出することができる。イオンが暗くなると、イオンは見えないかもしれないが、典型的には、イオンが存在すると考えられる鎖には穴が存在し、したがって、イオンは暗くても存在する。
【0027】
診断目的のために極低温システムを使用すると、これらのタイプの事象が起こる速度を検出して圧力を得ることができるが、この圧力測定は、圧力の相対的な測定である。絶対測定を行うためには、基準も必要である。基準が利用可能である場合、比較を行うことができ、本明細書に記載の技法を使用して絶対圧力測定値を得ることができる。すなわち、相対速度（例えば、イオンが暗くなる速度）を測定することによって、圧力変化を検出することが可能である。
【0028】
極低温システムによって提供される圧力が低いことは、イオンを取り囲む電極を有する深層巨視的トラップにおいて、あまり重要ではないかもしれない。しかし、より浅い微細加工トラップでは、衝突を回避し、鎖を保持するために、極低温システムによって提供される圧力よりも低い圧力が必要とされ得る。
【0029】
低温システムによって提供される圧力が低いことに加えて、別の利点は、加熱速度が遅くなることである。例えば、イオンがトラップ電極に近づきすぎると、電極からのノイズ（熱的または他の方法で駆動される）によって、イオンが経時的に加熱されることがあり、これは、加熱速度によって特徴付けられる。したがって、トラップ内のイオンに対する熱駆動雑音の影響を低減する一つのアプローチは、極低温システムを用いることによって全体の温度を低くすることである。すなわち、トラップ電極は、本明細書でより詳細に説明するように、極低温にすることができる。
【0030】
上述したように、衝突はイオンの数が多いほど起こりやすいので、多数のイオンを支持するために極低温システムが必要とされることがある。極低温システムが必要とされるイオンの閾値数は、少なくとも部分的に、イオンをトラップ内に装填するのにかかる時間に基づくことができる。原子源は、最終的にイオン化されトラップされる原子を放出し、このプロセスは、衝突間の時間が、トラップ内にイオン鎖をセットアップするのにかかる時間よりもはるかに長くなければならず、セットアップ時間は、イオンの数に依存するので、長いプロセスであり得る。
【0031】
さらに、長い量子計算または実験を行うためには、データが一連の演算のために取られ、このシーケンスが複数回繰り返され、衝突と可能性のある混乱の間の時間は、計算または実験を実行する時間よりも長くする必要があり、計算または実験のための時間は、計算または実験のタイプおよび使用される量子ビット（例えば、イオン）の数に依存し得る。
【0032】
したがって、極低温システムをいつ使用するかのガイドラインとして使用することができるイオンの数に関する閾値を決定することが可能である。そのような閾値は、特定の計算またはシミュレーション（例えば、アルゴリズム）において使用されるゲートの数、キュービットの数（例えば、イオン）、および／または衝突する確率（例えば、衝突率）に基づいてもよい。例えば、衝突する確率が低く、計算が短い場合には、極低温システムを必要とせずに、多数の量子ビットを使用することができる。一方、長い間あるいは進行中の計算あるいは多数の量子ビットに対しては、衝突の確率が低い場合でも、極低温システムが必要となる場合がある。
【0033】
閾値は、回復時間に基づいてもよい。上述したように、トラップされたイオンの鎖をセットアップするには、いくらかの時間がかかることがある。イオンをトラップ内に再装填することを含むことができる衝突からの回復には、計算よりも時間がかかる場合、イオンの数およびサポートされる計算の種類を制限することができる。
【0034】
極低温システムの別の態様は、これらのシステムの大部分が密閉サイクルチラーを使用し、その動作にパルスがあることである。冷却流体または液体（例えば、ヘリウム）は、システムが振動するように、冷却システムを通って移動される。これらの振動によって生じる騒音の大部分は、低周波数（例えば、１０Ｈｚ未満）である。これは、振動または移動が、光学構成要素にノイズを生じさせる可能性があるため、イオントラップに関連して使用される光学構成要素（例えば、レーザ）に問題を生じさせる可能性がある。この問題は、残留振動に対処するために軽減される必要がある。いくつかの極低温システムは、ばねまたは同様の構造を使用して何らかの形態の単離を提供することによって、この問題に受動的に対処しようと試みるが、このアプローチは、必ずしも効果的ではない。
【0035】
本開示では、極低温システムにおける振動によって引き起こされる低周波ノイズを取り扱うための技術を説明する。例えば、マイケルソン干渉計を使用して、これらの振動を測定することができる。次いで、これらの測定値を使用して、振動を補償するために、光学変調器および／または他の光学構成要素に何らかの形態の信号伝達を提供することができる。例えば、光路上に追加の光学素子を使用する代わりに、大域的変調器（例えば、大域的音響光学変調器またはＡＯＭ）上に移相器を有することが可能であり得る。本質的に、測定信号は、ＯＡＭ位相上の移相器（無線周波数移相器）に供給されて調整され（例えば、係数または他の較正されたパラメータによって乗算され）、位相は、冷却システムにおける振動を補償するために、光学構成要素の動作に必要な調整を行うために追跡される。このアプローチは、フィードフォワードアプローチと呼ばれることがあるが、フィードバック技術もまた、低周波雑音振動の同じ補償を達成するために実装されてもよい。さらに、これらの低周波騒音振動補償技術は、低周波騒音振動の発生源が低温システムの密閉サイクルチラー以外の場合に適用することができる。
【0036】
本明細書中に記載される別の態様は、等しくまたは均一に間隔を空けられたイオン鎖を生成する能力である（例えば、図１１（ｂ）を参照のこと）。結晶イオンは、典型的には、放物線状のウェル内に配置されるが、このようなウェル内では、イオンは、互いに等しく離間されない。中央のイオンは、ウェルだけでなく、押し込む他のイオンによっても一緒に締め付けられる。外側のイオンは、不均衡を有し、端部でぶら下がっており、したがって、外側のイオンは、より離れている。放物線ウェルを使用する代わりに、四次ウェルが提案される（例えば、少なくとも５つのセグメントを有し、時には４８個以上ものセグメントを有する）。このようにして、イオンは、互いに等間隔に配置され、これは、工学的目的のために、イオンと相互作用する任意のレーザがイオンと適切に整列されることを確実にすることが重要であり得る。これは、トラップ内に多数のイオンを有し、動作のために多数のレーザビーム（例えば、時には３２以上のビーム）が必要とされるシステムに特に関連する。
【0037】
これらの概念を実行するための装置およびシステムの実装および構成の様々な例を含む、上記の概念に関する追加の詳細を以下に提供する。
【0038】
本開示では、大規模量子シミュレーション（スピンモデルのシミュレーションを含む）のために構成された新規の極低温イオントラッピングシステムを説明する。記載された装置またはシステムは、４ケルビン（Ｋ）クライオスタットに封入されたセグメント化されたブレードトラップに基づいている。これによって、１００個を超える１７１Ｙｂ＋イオンを線形構成で定期的にトラップし、差動クライオポンピングからの低いバックグラウンドガス圧のためにそれらを数時間保持することが可能になる。クライオスタットとは、一般に、クライオスタット内に取り付けられたサンプルまたはデバイスを極低温で維持するために使用されるデバイスを意味する。極低温真空は、トラップされたイオン結晶を圧力ゲージとして使用し、分子バックグラウンドガスとの非弾性衝突率および弾性衝突率の両方を測定することによって特徴付けることができる。この開示は、また、非調和軸方向ポテンシャルによって、最大で４４個のイオンからなる鎖のイオン間隔が不均一性を低減する能力を示す。極低温真空による大きな線状イオン鎖の信頼動作生成と寿命向上により、古典的なシステムに挑戦できる量子シミュレーションまたは操作が可能になる。
【0039】
（Ｉ．序文）
高周波（ＲＦ）パウルトラップに閉じ込められたイオンは、長距離スピン・スピン相互作用モデルのシミュレーションを含む量子シミュレーションあるいは演算のための主要なプラットフォームである。システムのサイズが大きくなると、古典的シミュレーション法は、例えば、指数関数的に大きくなるＨｉｌｂｅｒｔ空間をモデル化することができなくなるので、正確な予測のための量子シミュレーションが必要とされている。現在、典型的な超高真空（ＵＨＶ）圧力（１０－１１Ｔｏｒｒ）での室温実験は、イオン結晶または格子を規則的に破壊するバックグラウンドガスとの衝突のために、イオンは約５０個に制限されている。ＵＨＶ真空中で達成可能なバックグラウンド圧力は、最終的には、装置の内部表面の脱ガスによって制限される。しかしながら、システムを極低温まで冷却すると、内部表面がゲッタになり、残存バックグラウンドガスの大部分をトラップする。クライオポンピングと呼ばれるこの技術は、これまで観察された真空のレベルを最も低いもの（１０－１７Ｔｏｒｒ）にした。
高周波（ＲＦ）パウルトラップに閉じ込められたイオンは、長距離スピン・スピン相互作用モデルのシミュレーションを含む量子シミュレーションあるいは演算のための主要なプラットフォームである。システムのサイズが大きくなると、古典的シミュレーション法は、例えば、指数関数的に大きくなるＨｉｌｂｅｒｔ空間をモデル化することができなくなるので、正確な予測のための量子シミュレーションが必要とされている。現在、典型的な超高真空（ＵＨＶ）圧力（１０－１１Ｔｏｒｒ）での室温実験は、イオン結晶または格子を規則的に破壊するバックグラウンドガスとの衝突のために、イオンは約５０個に制限されている。ＵＨＶ真空中で達成可能なバックグラウンド圧力は、最終的には、装置の内部表面の脱ガスによって制限される。しかしながら、システムを極低温まで冷却すると、内部表面がゲッタになり、残存バックグラウンドガスの大部分をトラップする。クライオポンピングと呼ばれるこの技術は、これまで観察された真空のレベルを最も低いもの（１０－１７Ｔｏｒｒ）にした。
【0040】
本開示では、スピンモデルのシミュレーションを含む量子演算のためのイオンの大きな鎖をトラップし、貯蔵できる極低温真空装置に挿入された巨視的な分割ブレードトラップからなる実験装置について説明する。本開示は、クライオスタット、ブレードトラップにＲＦ駆動部を供給するヘリカル共振器、および原子源に焦点を当てて、システム設計を記載する。さらに、本開示は、防振システム（ＶＩＳ）性能の特性評価、および４Ｋ領域内部の構造全体の機械的安定性の改善について説明する。イオン結晶を圧力ゲージとして用いた圧力測定についても説明する。バックグラウンドＨ２分子との非弾性衝突率および弾性衝突率を測定することによって、クライオスタット温度への圧力依存性も特性評価する。本開示は、また、クーロン反発によってイオン間隔が不均一になるのを最小限に抑えて、より均一に間隔を空けたイオン鎖を提供するために、軸方向ポテンシャルを形成する能力についても説明する。
【0041】
（ＩＩ．装置）
原子物理とイオントラップ技術を極低温工学と合体させる取り組みは、過去において行われてきた。極低温イオントラップは二つの顕著な利点を提供する。第一に、表面パッチポテンシャルと電場雑音による加熱速度を、室温トラップに比べ、二桁小さくできることである。第二に、差動クライオポンピングを介して達成可能な低圧によって、残留バックグラウンドガスとの衝突率が小さくなるために、トラップ内のイオンの寿命が延びることである（例えば、イオンに、バックグラウンドガス分子が衝突する可能性が少ないか、または衝突する頻度が少ない）。標準的なＵＨＶシステムでは、多数のイオンの貯蔵時間は、典型的には、「壊滅的である」衝突事象がトラップのＲＦヌルからイオンの位置を摂動させる確率によって制限される。この場合、イオン運動は、衝突時間における瞬間的なＲＦ位相値に応じてランダムに増幅され、パラメータ加熱が行われ、イオン結晶または格子が溶融し、イオンはトラップから放出されるか、またはレーザ冷却が効率的でない高励起軌道に残される。衝突損失確率がイオン数に対して線形にスケールすると仮定すると、トラップイオン量子シミュレータプラットフォームの能力を高めるためには、バックグラウンド圧力を著しく低下させる必要がある。チタンコーティングや熱処理のようないくつかの技術は、室温真空システムにおいて、極高真空（ＸＨＶ）を実現することが示されている。しかしながら、室温ＸＨＶをイオントラップ装置と組み合わせるには、真空システム内の多くの構成要素がＸＨＶと互換性がないことがあり得るので、課題が残っている。
原子物理とイオントラップ技術を極低温工学と合体させる取り組みは、過去において行われてきた。極低温イオントラップは二つの顕著な利点を提供する。第一に、表面パッチポテンシャルと電場雑音による加熱速度を、室温トラップに比べ、二桁小さくできることである。第二に、差動クライオポンピングを介して達成可能な低圧によって、残留バックグラウンドガスとの衝突率が小さくなるために、トラップ内のイオンの寿命が延びることである（例えば、イオンに、バックグラウンドガス分子が衝突する可能性が少ないか、または衝突する頻度が少ない）。標準的なＵＨＶシステムでは、多数のイオンの貯蔵時間は、典型的には、「壊滅的である」衝突事象がトラップのＲＦヌルからイオンの位置を摂動させる確率によって制限される。この場合、イオン運動は、衝突時間における瞬間的なＲＦ位相値に応じてランダムに増幅され、パラメータ加熱が行われ、イオン結晶または格子が溶融し、イオンはトラップから放出されるか、またはレーザ冷却が効率的でない高励起軌道に残される。衝突損失確率がイオン数に対して線形にスケールすると仮定すると、トラップイオン量子シミュレータプラットフォームの能力を高めるためには、バックグラウンド圧力を著しく低下させる必要がある。チタンコーティングや熱処理のようないくつかの技術は、室温真空システムにおいて、極高真空（ＸＨＶ）を実現することが示されている。しかしながら、室温ＸＨＶをイオントラップ装置と組み合わせるには、真空システム内の多くの構成要素がＸＨＶと互換性がないことがあり得るので、課題が残っている。
【0042】
極低温装置は、結晶内のイオンをアドレス指定して、検出するための高光学アクセス設計と互換性のある４Ｋでの著しいバックグラウンド圧力低下を提供する。この場合、非常に低いバックグラウンド圧力を有することの大きな利点は、（ａ）光学アクセスを制限することなく、室温黒体放射を最小限に抑えるために、また（ｂ）システムを冷却するのに必要な熱的接触を損なうことなく、システムを低温ヘッド振動から機械的に切り離すために、注意深い設計のコストにある。極低温装置の設計および性能に関連する種々の態様は、以下に説明する。
【0043】
（Ａ．クライオスタット）
クライオクーラによって誘起される振動を最小化するために、一つの可能な選択は、非常に低い音響ノイズを特徴とするフロークライオスタットである。しかしながら、これは、冷たい液体クーラントの連続補給を必要とするため高価であり、冷却パワーの点で、あまり効率的ではない。代替案は、より高い冷却パワーを有する密閉サイクルクライオクーラを使用することである。これは、液体冷却剤を常に補充する必要がなく、外部電源のみを必要とするので、より便利である。しかしながら、密閉サイクルクライオクーラは、深刻な音響ノイズに悩まされている。この開示は、密閉サイクルＧｉｆｆｏｒｄ－ＭｃＭａｈｏｎクライオスタットの使用を説明し、振動するコールドフィンガは、大気圧より１ｐｓｉ高い圧力で、ヘリウムガスで満たされた図１（ａ）に示されるような交換ガス領域を通して主真空装置から機械的に切り離される。ヘリウムガスは、コールドフィンガと、イオントラップ装置が取り付けられた試料マウントとの間の熱リンクとして機能する。ゴムベローは、振動するコールドヘッドと、光学的ブレッドボード上に座っている真空装置の残りの部分との間の唯一の直接的な機械的結合である。このＶＩＳにより、振動振幅を４００ｎｍ以内に保つことができる（詳細は第ＩＩＩ節を参照）。
クライオクーラによって誘起される振動を最小化するために、一つの可能な選択は、非常に低い音響ノイズを特徴とするフロークライオスタットである。しかしながら、これは、冷たい液体クーラントの連続補給を必要とするため高価であり、冷却パワーの点で、あまり効率的ではない。代替案は、より高い冷却パワーを有する密閉サイクルクライオクーラを使用することである。これは、液体冷却剤を常に補充する必要がなく、外部電源のみを必要とするので、より便利である。しかしながら、密閉サイクルクライオクーラは、深刻な音響ノイズに悩まされている。この開示は、密閉サイクルＧｉｆｆｏｒｄ－ＭｃＭａｈｏｎクライオスタットの使用を説明し、振動するコールドフィンガは、大気圧より１ｐｓｉ高い圧力で、ヘリウムガスで満たされた図１（ａ）に示されるような交換ガス領域を通して主真空装置から機械的に切り離される。ヘリウムガスは、コールドフィンガと、イオントラップ装置が取り付けられた試料マウントとの間の熱リンクとして機能する。ゴムベローは、振動するコールドヘッドと、光学的ブレッドボード上に座っている真空装置の残りの部分との間の唯一の直接的な機械的結合である。このＶＩＳにより、振動振幅を４００ｎｍ以内に保つことができる（詳細は第ＩＩＩ節を参照）。
【0044】
図１（ａ）および図１（ｂ）は、それぞれ、極低温真空装置の例を示すダイアグラム１００ａおよび１００ｂを示す。図１（ａ）は、クライオスタット（Ｊａｎｉｓ Ｉｎｃ．の好意による）の側面断面図を示し、図１（ｂ）は、図１（ａ）に対して９０°回転した下部断面（破線）の断面図を示す。下側の磁気コイルは、リエントラント窓フランジの底部に取り付けられている。また、コイルの内径には、装置の内部からくる４Ｋ黒体放射線に曝されるため、くぼんだ窓の外面に水が結露するのを回避するためのアルミニウムヒータが存在する。
【0045】
図１（ａ）のクライオスタットは、一般に、高圧ヘリウム線１０５、コールドヘッド１０７、ゴムベローズ１１０、電気フィードスルー１１３および高周波（ＲＦ）電気フィードスルー１１５、ヘリウム交換ガス１１７、ワイヤアンカーポスト１２０、真空ジャケット１２３、４０Ｋ（ケルビン）シールド１２５、コールドフィンガ１２７、４Ｋステージ１３０、４０Ｋステージ１３５、４Ｋシールド１４０、観点フランジ１４３、球状八角形１４５、リエントラント窓１４７、およびテフロン（登録商標）ホルダ付き窓１５０を含む。さらに、図１（ａ）に示すクライオスタットの図１（ｂ）の拡張部分は、ポンプ１６０、共振器アンテナ１６３、ヘリカル共振器１６５、共振器支持構造１６７、圧力ゲージ（図示せず）への出力、炉１７０、垂直磁気コイル１７３、ヒータ１７５、およびブレードトラップ１８０（イオントラップとも呼ばれる）を含むことができる。
【0046】
Ｊａｎｉｓ Ｉｎｃ．によって組み立てられたクライオスタット（ＳＨＶ－４ＸＧ－１５－ＵＨＶ）の上には、住友のヘリウム圧縮機Ｆ－７０Ｌ（例えば、ヘリウムライン１０５）によって動力供給されるコールドヘッド（ＳＲＤＫ－４１５Ｄ２）（例えば、コールドヘッド１０７）が置かれている。コールドヘッドは、４０Ｋステージで４５Ｗ、４Ｋステージで１．５Ｗの異なる冷却パワーを持つ２段のヒートステーションを特徴としている。イオントラップ装置を室温黒体放射（ＢＢＲ）からシールドするために、２つのアルミニウム同心円筒放射シールドを２つのステージ（例えば、４０Ｋステージ１３５と４Ｋステージ１３０）と熱接触させた。シュテファン＝ボルツマンの法則で推定したＢＢＲ熱負荷は、Ｑ４０Ｋ～５．５Ｗ、Ｑ４Ｋ～５５０μＷであり、２つの熱ステージの冷却パワーよりかなり低い。電気配線による熱負荷は、温度プローブ（Ｌａｋｅｓｈｏｒｅ ＤＴ６７０Ａ１－ＣＯ）、静的電極および炉ワイヤは、いずれもアンカーポスト（図１（ａ）のワイヤアンカーポスト１２０を参照）へのヒートシンクであり、２つのステージと良好な熱接触であるため、無視できる程度（～１００μＷ）である。高周波（ＲＦ）電気フィードスルー（例えば、ＲＦ電気フィードスルー１１５）に接続された４つのＳＭＡケーブルは、ヒートシンクにならないので、４０Ｋステージおよび４Ｋステージで、それぞれ５００ｍＷおよび２２０ｍＷの熱負荷を送達する。装置を設計する際に、総冷却パワーを考慮して、室温ＢＢＲ熱負荷と光学アクセスの間の良好なバランスが達成できた。球状八角形（例えば、図１（ａ）の球状八角形１４５参照）は、ｘ－ｙ平面内に光学アクセスを提供する８つの直径１”の窓（例えば、窓１５０）を特徴とし、これらの窓は、軟かいテフロンホルダによって保持される。底部の上で、システムは、垂直（ｚ）方向に沿ってイオンを撮像するために、０．５までの開口数（ＮＡ）を可能にする直径２．２５”のリエントラント窓（例えば、リエントラント窓１４７）を特徴とする。クライオスタット全体は、下からイオンを撮像できるようにするために、高いブレッドボード上に置かれる。全窓熱負荷は４０Ｋシールドで２．４Ｗ、４Ｋシールドで１．７ｍＷである。結論として、全熱負荷バジェットは、全冷却パワーを十分に下回ることができ、したがって、４Ｋシールドの内側にヘリカル共振器（例えば、ヘリカル共振器１６５）とイオントラップ（例えば、ブレードトラップ１８０）の両方で、約５時間（例えば、図２参照）で、システムを４．５Ｋまで冷却することができる。
【0047】
図２は、典型的なクールダウンサイクルを示すダイアグラム２００を示す。トラップマウント（例えば、ブレードトラップ１８０）は、４．７Ｋの定常温度に達するが、ヘリカル共振器（例えば、ヘリカル共振器１６５）の平衡温度は、４Ｋステージとの熱接触が減少するため、わずかに高い（～５．５Ｋ）。クールダウン終了時の加速は、１００Ｋ以下で銅の比熱が急激に小さくなるためである。
【0048】
クールダウンの前に、ＭＫＳ－３９０５１１－０－ＹＧ－Ｔ圧力ゲージ（図１（ｂ）には図示せず）の圧力測定値が約２・１０－５Ｔｏｒｒに達するまで、ターボ分子ポンプを用いて装置を事前に排気する。４０Ｋシールドの放射熱負荷（１．５Ｗ）に直接「目線」が晒されないようにするために、ゲージは、エルボを通して取り付けられている。水素は最も効率的にクライオポンピングされたガスであるため、低温領域内部で水素が漏れないように、追加できるものの一つは、長いベローズ断面の４つのＣＦ４０フランジの１つに取り付けられているＳＡＥＳ ＮｅｘＴｏｒｒ Ｄ－１００ゲッタおよびイオンポンプ（例えば、図１（ｂ）のポンプ１６０参照）である。水素ゲッタは、冷却前に活性化される必要がある。通常運転中、振動するコールドヘッドは天井から吊るされた頭上機器ラックに取り付けられ、真空装置は、光学ブレッドボード上に静止している。しかしながら、コールドヘッドとクライオスタットを機械的に接続することにより、システム全体を吊り上げて、光学ブレッドボードからアップグレードおよび修理が行える自立構造に転換することができる。
【0049】
（Ｂ．ブレードトラップ）
本開示におけるブレードトラップの例（例えば、ブレードトラップ１８０）は、約５μｍの分解能を有する顕微鏡下で、手で組み立てられ、整列される。図３に示す例では、ブレードトラップは、サファイヤホルダ３１０が取り付けられたトラップマウント３０５を有していてもよい。また、銅パッド３２５、金リボン３３０、接地３２０、およびＲＦブレード３１３と静的ブレード３１５も示されている。ブレードはアルミナで作られ、５つのセグメントを有する。それらをＨＦ（フッ化水素酸）で洗浄し、両面をプラズマアッシングし、次いで、Ｓａｎｄｉａ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓで１００ｎｍのチタン接着層および１μｍの金層でコーティングした。２つの静的電極ブレードは、５つのセグメントが独立してバイアスされ得るように、マスクで金コーティングされているが、ＲＦブレードは、セグメント化されていないコーティングを有している。一例では、幅０．０１５”および厚さ０．００１”を有する５つ（１つ）の金リボンが、電気接続用の静的（ＲＦ）ブレードの上部にワイヤボンディングされている。静的ブレード上のＲＦピックアップ電圧を分流するために、８００ｐＦのセラミックコンデンサを金リボンのそれぞれにハンダ付けした。コンデンサ（ＤＩＧＩＫＥＹ ３９９－１１１９８－１－ＮＤ）はＮＰ０製で、誘電率が低いため、静電容量は４Ｋまで温度に反応しない。コンデンサは、金リボン（例えば、金リボン３３０）上にハンダ付けされるが、その理由は、金リボンに直接ワイヤボンディングすることができる低誘電率材料から容易に入手することができないコンデンサが存在し得るからである。標準的なハンダ付けには、クライオ相溶性があるため、通常ＵＨＶブレードトラップに従う侵襲的なスポット溶接手順を使用する代わりに、配線用の外部銅パッド（例えば、図３の銅パッド３２５を参照）に金リボンの他端を接続するために使用される。ブレードは、６０°／３０°の角度構成のサファイヤホルダ（例えば、サファイヤホルダ３１０）上に取り付けられ、これにより、ｘ－ｙ平面内および垂直ｚ方向に沿った双方において良好な光学アクセスが可能になる。電極先端間の距離は約３４０μｍ／１４０μｍであり、イオン－電極間距離は１８０μｍである。ｘ－ｙ平面は、８つの１”窓を通して０．１ＮＡを特徴とする。この窓は、ドップラー冷却、検出、光ポンピング（３６９ｎｍ）、光イオン化（３９９ｎｍ）、リポンパー（ｒｅｐｕｍｐｅｒ）（９３５ｎｍ）およびラマン（３５５ｎｍ）レーザビームに使用される。２”の窓上に３．５ｃｍの作動距離があり、０．５ＮＡまでの対物レンズを可能にするので、高解像度撮像を垂直ｚ方向に沿って実行することができる（例えば、図１（ｂ）参照）。
本開示におけるブレードトラップの例（例えば、ブレードトラップ１８０）は、約５μｍの分解能を有する顕微鏡下で、手で組み立てられ、整列される。図３に示す例では、ブレードトラップは、サファイヤホルダ３１０が取り付けられたトラップマウント３０５を有していてもよい。また、銅パッド３２５、金リボン３３０、接地３２０、およびＲＦブレード３１３と静的ブレード３１５も示されている。ブレードはアルミナで作られ、５つのセグメントを有する。それらをＨＦ（フッ化水素酸）で洗浄し、両面をプラズマアッシングし、次いで、Ｓａｎｄｉａ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓで１００ｎｍのチタン接着層および１μｍの金層でコーティングした。２つの静的電極ブレードは、５つのセグメントが独立してバイアスされ得るように、マスクで金コーティングされているが、ＲＦブレードは、セグメント化されていないコーティングを有している。一例では、幅０．０１５”および厚さ０．００１”を有する５つ（１つ）の金リボンが、電気接続用の静的（ＲＦ）ブレードの上部にワイヤボンディングされている。静的ブレード上のＲＦピックアップ電圧を分流するために、８００ｐＦのセラミックコンデンサを金リボンのそれぞれにハンダ付けした。コンデンサ（ＤＩＧＩＫＥＹ ３９９－１１１９８－１－ＮＤ）はＮＰ０製で、誘電率が低いため、静電容量は４Ｋまで温度に反応しない。コンデンサは、金リボン（例えば、金リボン３３０）上にハンダ付けされるが、その理由は、金リボンに直接ワイヤボンディングすることができる低誘電率材料から容易に入手することができないコンデンサが存在し得るからである。標準的なハンダ付けには、クライオ相溶性があるため、通常ＵＨＶブレードトラップに従う侵襲的なスポット溶接手順を使用する代わりに、配線用の外部銅パッド（例えば、図３の銅パッド３２５を参照）に金リボンの他端を接続するために使用される。ブレードは、６０°／３０°の角度構成のサファイヤホルダ（例えば、サファイヤホルダ３１０）上に取り付けられ、これにより、ｘ－ｙ平面内および垂直ｚ方向に沿った双方において良好な光学アクセスが可能になる。電極先端間の距離は約３４０μｍ／１４０μｍであり、イオン－電極間距離は１８０μｍである。ｘ－ｙ平面は、８つの１”窓を通して０．１ＮＡを特徴とする。この窓は、ドップラー冷却、検出、光ポンピング（３６９ｎｍ）、光イオン化（３９９ｎｍ）、リポンパー（ｒｅｐｕｍｐｅｒ）（９３５ｎｍ）およびラマン（３５５ｎｍ）レーザビームに使用される。２”の窓上に３．５ｃｍの作動距離があり、０．５ＮＡまでの対物レンズを可能にするので、高解像度撮像を垂直ｚ方向に沿って実行することができる（例えば、図１（ｂ）参照）。
【0050】
上述のように、図３は、ダイアグラム３００において、ブレードイオントラップを示す例を示す。ブレード３１３および３１５は、サファイヤホルダ３１０上に取り付けられ、金リボン３３０は、その上にワイヤボンディングされる。金リボンとカプトンワイヤとの間の接続は、Ｒｏｇｅｒ ４３５０Ｂプリント回路基板（ＰＣＢ）上にプリントされた銅パッド３２５によって提供される。
【0051】
ｅＶの深いトラップポテンシャルと高いトラップ周波数を与えるためには、ブレードトラップ中心を無線周波数（ＲＦ）範囲で数百Ｖのボルトで駆動する必要がある。ブレードトラップのＣＯＭＳＯＬシミュレーションモデルに基づき、Ωｒｆ＝２π×２４ＭＨｚでの高周波駆動でωｔｒ＝２π×５ＭＨｚ横方向トラップ周波数を得るためには、約ＶＲＦ＝６００Ｖの振幅が必要である。計算されたトラップ容量Ｃｔ＝１．５ｐＦを考慮すると、ブレード上で消費される電力は
と見積もることができる。ここで、Ｒｔはブレード上の１μｍ金層の抵抗であり、金表皮深さは３００Ｋでの
から４Ｋでの２５０ｎｍまで減少すると見積もられる。さらに、ブレードは、サファイヤホルダ上に取り付けられるので、効率的に放熱され、これは、マコール（登録商標）ホルダまたはアルミナホルダと比較してより良好な熱伝導度と、アルミナブレード基板と良好に一致する熱膨張係数との二重の利点を呈する。
【数1】
【数2】
【0052】
（Ｃ．ヘリカル共振器）
ヘリカル共振器（例えば、図１（ｂ）のヘリカル共振器１６５）は、昇圧変圧器として作用することによって、高周波源とトラップとの間のインピーダンス整合を可能にする。真空フィードスルーとイオントラップとの間の７０ｃｍの同軸ＲＦ伝送ケーブルの寄生容量およびインダクタンスは、同調共振器およびトラップ回路のインピーダンスマッチングを非常に困難にし、それによって、トラップに送達され得るＲＦ電圧を制限するであろう。したがって、装置は、ブレードトラップにできるだけ近い４Ｋ領域でヘリカル共振器をホストするように構成される（例えば、図１（ｂ）参照）。
ヘリカル共振器（例えば、図１（ｂ）のヘリカル共振器１６５）は、昇圧変圧器として作用することによって、高周波源とトラップとの間のインピーダンス整合を可能にする。真空フィードスルーとイオントラップとの間の７０ｃｍの同軸ＲＦ伝送ケーブルの寄生容量およびインダクタンスは、同調共振器およびトラップ回路のインピーダンスマッチングを非常に困難にし、それによって、トラップに送達され得るＲＦ電圧を制限するであろう。したがって、装置は、ブレードトラップにできるだけ近い４Ｋ領域でヘリカル共振器をホストするように構成される（例えば、図１（ｂ）参照）。
【0053】
ヘリカル共振器の内部には、２つの構成要素が２つのＲＦブレードに接続されているバイファイラコイルが巻かれている。このようにして、各ブレードは独立した静電ポテンシャルオフセットを有することができる。２つのコイルは、テフロンホルダによって所定の位置に保持され、４００ｎＦのコンデンサで、ＲＦで短絡される。共振器は、内径が２．３”の中実銅で作られているのに対し、バイファイラコイルは、半径が１．５”で、ピッチが０．１９”であることを特徴としている。共振器の内部には、ＲＦ電圧の容量性１００：１ピックオフが挿入されており、これは、トラップブレードへの送信電圧振幅を監視し、能動的に安定させるために使用される。自己インダクタンスＬｒｅｓ＝２μＨと自己キャパシタンスＣｒｅｓ＝８ｐＦを、異なるテストキャパシタで共振器に負荷をかけて測定した。
【0054】
室温では、共振器の品質係数はＱ＝１０５０であり、ここでＱは、以下：
のように定義される。ここで、Ｒは、インピーダンス不整合（例えば、図４参照）によるＲＦ反射パワーであり、Ｑｌｏａｄ＝Ωｒｆ／ＦＷＨＭは、ブレードトラップに接続されたヘリカル共振器の応答を考慮した負荷Ｑ値である。共振器は、小さい直径０．５”のアンテナ－コイルと誘導結合され、その位置は臨界結合に達するように調整することができる。４Ｋでは、ＲＦ回路全体の抵抗が減少し、２つの効果が生じる。すなわち、インピーダンス整合条件が変化し、臨界結合でのＱ値が３１７０まで増加する（例えば、図４参照）。共振器品質係数の６０％増は、４Ｋでの銅抵抗率および表皮深さが小さくなることに基づく単純な推定から予想されるものよりも低い。これは、銅表面の酸化物層、または共振器内のハンダ接続の付加的な抵抗寄与度によって説明される可能性が高い。温度誘起抵抗変化を補償するために、アンテナホルダを引き出すことによって、アンテナとバイファイラコイルとの間の相互インダクタンスを低減することができる（図１（ｂ）参照）。クールダウン中、駆動周波数Ωｒｆ／２πは通常０．６％増加するが、これは銅の熱収縮により誘起される共振器自己容量と自己インダクタンスの減少によって説明される。
【数3】
【0055】
図４は、共振器Ｑ値およびＲＦ反射パワーを温度の関数として示すダイアグラム４００を示す。低温での急峻な変動は、１００Ｋ未満での銅抵抗率の急激な低下によるものであり、その効果は、バイファイラコイルが銅缶との熱接触が悪いほど遅れる。クールダウン中に、負荷品質係数Ｑｌｏａｄ（上述）は、２１０から９００まで増加する。
【0056】
（Ｄ．原子源）
ブレードトラップにイオンを充填するために、原子源は抵抗加熱されており、この原子源は、各端部にタンタルワイヤスポット溶接された０．５”長のステンレス鋼（ＳＳ）管内に収容されている。炉（例えば、図１（ｂ）の炉１７０を参照）は、安定した指向（ｐｏｉｎｔｉｎｇ）を保証するために、ＳＳ管を取り囲む２つの０．５”ＩＤ半体で作られたマコールホルダによって支持されている。一実施態様では、トラップマウントに取り付けられた４Ｋ領域に２つの炉があり、一方は同位体濃縮された１７１Ｙｂを有する炉で、他方は天然存在量Ｙｂを有する炉である。炉は、最初はトラップにできるだけ近い位置に配置され、マコールホルダは、４Ｋで炉とトラップマウントの間に熱ショートを作る目的を有していた。しかしながら、炉からの熱負荷は、銅構造全体をトラップクリアランスよりも拡大させるのに十分であり、ドップラー冷却ビームをトラップのために、それに応じてステアリングする必要があった。さらに、熱勾配がタンタルワイヤを破断させ、その結果、全平均負荷時間が１時間３０分となるので、炉の全体的な立ち上がりを徐々に行わなければならなかった。
ブレードトラップにイオンを充填するために、原子源は抵抗加熱されており、この原子源は、各端部にタンタルワイヤスポット溶接された０．５”長のステンレス鋼（ＳＳ）管内に収容されている。炉（例えば、図１（ｂ）の炉１７０を参照）は、安定した指向（ｐｏｉｎｔｉｎｇ）を保証するために、ＳＳ管を取り囲む２つの０．５”ＩＤ半体で作られたマコールホルダによって支持されている。一実施態様では、トラップマウントに取り付けられた４Ｋ領域に２つの炉があり、一方は同位体濃縮された１７１Ｙｂを有する炉で、他方は天然存在量Ｙｂを有する炉である。炉は、最初はトラップにできるだけ近い位置に配置され、マコールホルダは、４Ｋで炉とトラップマウントの間に熱ショートを作る目的を有していた。しかしながら、炉からの熱負荷は、銅構造全体をトラップクリアランスよりも拡大させるのに十分であり、ドップラー冷却ビームをトラップのために、それに応じてステアリングする必要があった。さらに、熱勾配がタンタルワイヤを破断させ、その結果、全平均負荷時間が１時間３０分となるので、炉の全体的な立ち上がりを徐々に行わなければならなかった。
【0057】
これらの理由から、原子源は、真空装置の室温セクターに移動される（例えば、図１（ｂ）参照）。炉は、真空下で原子源がトラップから約１１．９ｃｍ離れ得るように、長さ２．９３”のＵＨＶベローズ内にある。電極ギャップの露出を最小限に抑えるために、原子ビームの方向はトラップ軸（ｘ）に整列させる。これによって、システムが通気されたときに、ブレード上で酸化イッテルビウム層が短絡または形成するのを防止できる。炉のマコールホルダは、ベローズのフィードスルーにねじ込まれ、その高さは装置が冷えているときに、トラップ軸の位置に一致するように設計されたアルミニウムバーの上に置かれる（図１（ｂ）参照）。ベローズの使用は、元々、原子ビームを操縦して、負荷率を最大化できるようにすることを意図していたが、設計による位置合わせは、満足のいく負荷率を提供するのに十分であった。原子束の生成はジュール効果によって達成され、０．２２Ωの炉抵抗で１．５Ｗを消費する。この設定により、２ｍＷの３９９ｎｍおよび３５０ｍＷの３５５ｎｍレーザ光を用いて、約５０個のイオンを約４分間（乾燥炉のウォームアップ時間を含む）で装填して、２段階の光イオン化プロセスを実行することが可能である。
【0058】
図５は、１２１個の１７１Ｙｂ＋イオンの線状鎖を表す例示的な例を伴うダイアグラム５００を示す。この場合、ωｙ／２π＝１．５ＭＨｚで、ωｘ／２π＝３５ｋＨｚである。軸方向の閉じ込めを緩和し、０．１ＮＡの対物レンズで全ての中心イオンを分離した。ＣＣＤカメラで鎖全体をフィットさせるために、トラップ軸に沿って対物レンズを移動させて、鎖の左右の部分の２枚の画像を撮影する。鎖の左側の２Ｆ７／２状態では、矢印で示されている１つの暗いイオンしかない。
【0059】
（ＩＩＩ．振動絶縁システム）
図６（ａ）、図６（ｂ）および図６（ｃ）は、それぞれ、３つのトラップ主軸に沿った振動を示すダイアグラム６００ａ、６００ｂおよび６００ｃを示す。図６（ａ）および図６（ｂ）において、異なるトラップマウント温度Ｔ＝４．５Ｋ（黒線）およびＴ＝７．７Ｋ（灰色線）についての面内ｘ－ｙ振動を示す。ｘ（ｙ）に沿ったＲｍｓ振幅は、クライオスタットの温度をヘリウム沸点よりも高く上昇させることによって、それぞれ５（６）分の１に減少する。ＲＢＷは、０．１Ｈｚである。図６（ｃ）では、周波数１．２Ｈｚの正弦波を用いたクライオスタットによって誘起された垂直振動（データサンプルに重畳したもの）を示す。線６１０は、ブレッドボードの静的支持を改善する前の振動を示し、４０ｎｍのピークツーピーク（ｐｋ－ｐｋ）振動を生じるが、線６２０は、後の振動を示す。
図６（ａ）、図６（ｂ）および図６（ｃ）は、それぞれ、３つのトラップ主軸に沿った振動を示すダイアグラム６００ａ、６００ｂおよび６００ｃを示す。図６（ａ）および図６（ｂ）において、異なるトラップマウント温度Ｔ＝４．５Ｋ（黒線）およびＴ＝７．７Ｋ（灰色線）についての面内ｘ－ｙ振動を示す。ｘ（ｙ）に沿ったＲｍｓ振幅は、クライオスタットの温度をヘリウム沸点よりも高く上昇させることによって、それぞれ５（６）分の１に減少する。ＲＢＷは、０．１Ｈｚである。図６（ｃ）では、周波数１．２Ｈｚの正弦波を用いたクライオスタットによって誘起された垂直振動（データサンプルに重畳したもの）を示す。線６１０は、ブレッドボードの静的支持を改善する前の振動を示し、４０ｎｍのピークツーピーク（ｐｋ－ｐｋ）振動を生じるが、線６２０は、後の振動を示す。
【0060】
図７は、振動測定のための干渉計のセットアップを示すダイアグラム７００を示す。このセットアップは、３つのミラーがクライオスタットの内部に取り付けられ、トラップの３つの主軸に沿ってトラップマウントに取り付けられる。３つの異なるファイバが、フィードバックループでフォトダイオード信号を干渉縞にロックするピエゾマウントミラー（ＰＺＴ）を備えた３つの干渉計にレーザ光を送る。ピエゾに出力されるＰＩＤ電圧は、振動を補償し、その振幅と周波数をモニタするために使用される。ダイアグラム７００は、４０Ｋシールドおよび４Ｋシールドを有する球状八角形７１０（例えば、図１（ａ）参照）と、３つの干渉計（ｙ干渉計７２０、ｚ干渉計７３０、およびｘ干渉計７４０）を示す。
【0061】
Ｇｉｆｆｏｒｄ－ＭｃＭａｈｏｎコールドヘッド圧縮および膨張サイクルは、かなりの量の音響振動を生じるので、防振システム（ＶＩＳ）の性能を評価し、改善することが決定的に重要である。このシステムは、振動コールドヘッドとコールドフィンガとの間に熱リンクを提供するために、ヘリウムガスで満たされた交換ガス領域からなる。ベローズ（例えば、図１（ａ）のゴムベローズ１１０参照）は、コールドヘッドと装置の下部との間の唯一の機械的接続であり、振動ダンパとして作用する。この場合、残存音響振動の時間スケールと振幅の両方が、注目される。いくつかの実装では、最長で１０ｍｓまで続く量子シミュレーション実験が実行される。例えば、λ＝３５５ｎｍのパルスレーザによって駆動される誘導二光子ラマンプロセスを介してスピン－スピン相互作用を生成する。したがって、レーザ相互作用時間中に、λより大きいイオン鎖変位（例えば、振動の結果としての動き）は、イオンが受ける望ましくない位相シフトをもたらす。
【0062】
一態様では、装置全体の機械的安定性は、干渉測定によって特徴付けられる。トラップは取り除かれ、３つのミラーが、ラマン方向ｙ、トラップ軸ｘ、および垂直撮像方向ｚ（図７参照）の３つの主軸に沿って、トラップマウント上に配置される。このようにして、ブレッドボードおよびテーブルに対するトラップ領域のあらゆる移動を、数ナノメートルの分解能で測定することができる。音響振動によって誘起される干渉縞の数を数えることによってトラップの変位を確実に評価するために、３つのピエゾマウントミラー（ＰＺＴ）をマイケルソン干渉計の基準経路上で使用して、干渉計を干渉縞にロックする（図７参照）。サーボループは１．８ｋＨｚの帯域幅を有し、したがって、それらのサーボループは、対象の周波数範囲（３００Ｈｚまで）に音響ノイズを完全に補償することができる。ピエゾマウントミラーの電圧－距離変換は、静的干渉計で特性評価された。このようにして、ピエゾに印加される出力電圧は、トラップの３つの主軸に沿ったトラップマウントの変位の直接測定である。
【0063】
ｘ－ｙ平面では、主な寄与度は４０Ｈｚ付近のピークで与えられることが観察される。これは、クライオスタットの長さ６０ｃｍのレバーアームの通常モードに起因する。有限要素解析は、より高い周波数（１２０Ｈｚおよび２８２Ｈｚピーク）での振動モードが、共振器とトラップマウントで構成される４Ｋシールド内部の機械的構造に起因することを示唆している。これらの振動の大部分は、最低動作温度で交換ガス領域の底部に凝縮された液体ヘリウムを介して振動するコールドヘッドによって駆動されることに注目すべきである（図１（ｂ）参照）。この凝縮は、ＶＩＳの性能を低下させる結果となるが、これは、４Ｋステージを加熱し、Ｈｅ沸点以上で作動させることによって克服することができる。T = ７．７Ｋの４Ｋステージでは、図６（ａ）および図６（ｂ）に示すように、ｘ方向およびｙ方向の両方のｒｍｓ変位は、約５分の１に小さくなる。１００Ｈｚ以上の振動モードは、典型的な量子シミュレーション実験と類似のタイムスケールであるため、最も問題となるモードである。これらの周波数モードを除去するために、共振器の静的支持を強化し、全体の４Ｋ構造を剛性にした。このようにして、より高い周波数モードを１桁以上抑制することができる（図８（ａ）参照）。これは、図８（ｂ）に示されるように、３９Ｈｚおよび４５Ｈｚで２つの非常に明確な通常モードのみを残し、これも図６（ｂ）に関して抑制されている。これらの低周波振動モードは、スピンエコー方式を適用して、望ましくない４０Ｈｚの位相変動を補償できるので、我々の典型的な実験または計算期間では、管理可能な問題となる。さらに、ラマンｙ方向に沿った振動をリアルタイムでモニタリングするために、トラップと互換性のある恒久的なミラーホルダを使用してもよい。このようにして、ＡＯＭ位相へのフィードフォワードを介して、またはラマン経路内のＥＯＭへのフィードフォワードを介して、望ましくない位相シフトを補償することが可能になる。
【0064】
図８（ａ）および図８（ｂ）は、それぞれ、ｙ軸に沿った改善された振動を示すダイアグラム８００ａおよび８００ｂを示す。図８（ａ）では、共振器の静的支持構造を改良した後、図６（ｂ）に示す１００Ｈｚを超える周波数モードは、１０分の１に抑制される。ＲＢＷは、０．１Ｈｚである。図８（ｂ）では、３９Ｈｚおよび４５Ｈｚのビートノートをもたらす２つの周波数の正弦波適合が、線８１０および線８２０に示されている。クライオスタット温度をヘリウム沸点以上に上げると、ｒｍｓ振動が減少する。
【0065】
垂直ｚ方向に沿った機械的安定性も考慮され、図６（ｃ）に示すように、ピークツーピーク振幅が２００ｎｍのコールドヘッド振動周波数（１．２Ｈｚ）で非常に明確な振動が見つかる。これは、クライオスタットが置かれているブレッドボード全体の振動モードに、ほぼ完全に起因する。実際、同じ干渉計で、クライオスタット内部のトラップマウントに取り付けられたミラーの代わりに、ブレッドボードの下に取り付けられたミラーを用いても、全く同じ振動が観測される。これらの遅い振動を減らすために、上昇したブレッドボードに、より多くの静的支持を追加することができ、こうして、ピークツーピーク振幅を約４０ｎｍまで減らすことができる。
【0066】
（ＩＶ．極低温真空の特性評価）
イオントラップ実験または計算のためのバックグラウンド圧力要件は、主に２つの理由から要求されている。第一に、イオンは、長距離～ｒ－４ポテンシャルを有する残留中性分子ガスと相互作用する。これにより、例えば、ファンデルワールス～ｒ－６ポテンシャルによって支配される中性－中性衝突率と比較して、衝突率が高くなる。第二に、パウルトラップは静的ではないので、中性粒子の浴との衝突は、典型的なＲＦタイムスケールに関してイオンを非断熱的に変位させることによって、質量の不均衡および衝突が生じる瞬間的なＲＦ位相に依存して、加熱を誘発することができる。イオン運動のこの瞬間的でランダムな増幅の結果として、ドップラー冷却が効果的でなくなり、イオン結晶が溶融し、アバランシェＲＦ加熱が生じ、イオン損失が発生する。イオン鎖寿命は、考慮するトラップのＭａｔｈｉｅｕパラメータ
に強く依存する。一旦、１つのイオンが衝突によって変位されると、クーロン斥力からくる非線形性によって、イオンの運動エネルギーが、４以上の指数を有するｑのべき乗則としてスケールする速度で大きくなるであろう。ｑパラメータの感度は、一次の四重極寄与を超えるＲＦトラッピングポテンシャル膨張における高次項に関係している。これらの項は、結晶が溶融するとイオン損失を加速する可能性が高い線形パウルトラップの安定領域内の非線形共鳴と関連している。
イオントラップ実験または計算のためのバックグラウンド圧力要件は、主に２つの理由から要求されている。第一に、イオンは、長距離～ｒ－４ポテンシャルを有する残留中性分子ガスと相互作用する。これにより、例えば、ファンデルワールス～ｒ－６ポテンシャルによって支配される中性－中性衝突率と比較して、衝突率が高くなる。第二に、パウルトラップは静的ではないので、中性粒子の浴との衝突は、典型的なＲＦタイムスケールに関してイオンを非断熱的に変位させることによって、質量の不均衡および衝突が生じる瞬間的なＲＦ位相に依存して、加熱を誘発することができる。イオン運動のこの瞬間的でランダムな増幅の結果として、ドップラー冷却が効果的でなくなり、イオン結晶が溶融し、アバランシェＲＦ加熱が生じ、イオン損失が発生する。イオン鎖寿命は、考慮するトラップのＭａｔｈｉｅｕパラメータ
【数3】
【0067】
運動学的考察から、以下の入射エネルギーＥｍを有するバックグラウンド分子との弾性衝突後の静止イオンｉによって獲得されたエネルギーを定性的に推定することができる：
ここで、ξ＝Ｍｍ／Ｍｉは質量－不均衡パラメータであり、θｓｃは散乱角度である。しかしながら、衝突が発生するときは、常に、動力学は事実上一次元であり、かつθｓｃ＝πであると仮定することが可能である。室温ＵＨＶシステムおよび極低温装置の両方において、残存バックグラウンドガスは、大部分が水素分子（Ｈ２）から作られる。これは、ヘリウムに次いで、最も効率的でない低温ポンプガスであり、１７１Ｙｂ＋イオンについて、ξ＝０．０１１に導く。Ｈ２分子の熱エネルギー＜ＥＨ２＞＝３／２ｋＢ×４．５Ｋを考慮し、全散乱角にわたって平均化すると、弾性衝突当たり平均イオンエネルギーは＜ΔＥＹｂ＋＞＝ｋＢ×３００ｍＫ増加することが可能である。
【数5】
【0068】
この極低温真空システムでは、ｑ＝０．３５で１００個以上のイオンの鎖に対してさえ、衝突によって誘起される破局的なイオン損失は観察されなかった。室温ＵＨＶ実験では、同じｑで、約５０個のイオンの鎖の寿命は、平均５分である。伸びた寿命は、２つの要因に起因し得る。一方では、差動クライオポンピングによって、標準的なＵＨＶシステムに関してバックグラウンド圧力を減らすことが可能になり、したがって、全体的な衝突率が小さくなる。第二に、衝突が発生した場合でも、平均エネルギー伝達＜ΔＥＹｂ＋＞は室温ＵＨＶ実験の約６０分の１であり、ドップラー冷却レーザがイオンを効率的に再トラップし、再結晶させることができるため、結晶の融解は起こりにくくなる。ＵＨＶ装置において、Ｈ２分子では、
である。これは、数値シミュレーションによれば、結晶を融解させるのに十分なイオンを置換するには、不十分である。数値シミュレーションによれば、室温ＵＨＶシステムにおけるこれらの破局的衝突は、より重い残留バックグラウンドガス（Ｎ２、ＣＯ２、およびＨ２Ｏ）と、稀に衝突することによって引き起こされる可能性が最も高い。これらのガスは、極低温システムでは、完全に凍結している。
【数6】
【0069】
真空システムにおけるバックグラウンド圧力を定量化するために、熱陰極電離真空計は、追加のガス負荷を発生させることができるので、使用しない場合がある。さらに、使用中の熱陰極電離真空計は、室温真空領域の圧力を測定する。これは、装置が冷えているときに、１０－９Ｔｏｒｒ程度の低い圧力である。４０Ｋと４Ｋの極低温領域の両方が真空封止されていないので、室温領域と装置内部との間の差動クライオポンピングを推定することは困難である。このため、イオン結晶は、クライオスタット温度の関数として分子状水素バックグラウンドガスとの衝突率を測定することによって圧力ゲージとして使用される。
【0070】
イオン－中性分子相互作用は、イオンの電荷ｅと静的分極率を有する分子の誘起電気双極子モーメントとの間の相互作用に由来する～ｒ－４ポテンシャルによって、以下：
のように記述される。
【数7】
【0071】
入ってくるＨ２分子の平均エネルギー＜ＥＨ２＞は、ポテンシャル（３）に関連するｐ波遠心バリアよりもはるかに大きいので、量子補正を用いない古典的なランジュバンモデルの妥当性を安全に仮定することができる。これは、
として、近似できる。ここで、
であり、μは減少した質量である。
【数8】
【数9】
【0072】
ランジュバンモデルでは、衝突率は、入ってくる粒子のエネルギーとは無関係であり、密度に正比例するか、または理想気体の法則を仮定した圧力に等しい。この結果：
となる。
【数10】
【0073】
クライオスタット内部の残留バックグラウンド圧力を推定するために、暗イオンが生成される変化率を測定することが可能である。実際、衝突が起こるときはいつでも、２つの非弾性プロセスが発生する有限の未知の確率Ｐがある。（ａ）２Ｐ１／２または２Ｄ３／２状態に光学的に励起されたイオン１７１Ｙｂ＊＋は、両方とも３６９ｎｍのドップラー冷却光によって集団化し、準安定２Ｆ７／２状態でのポピュレーショントラップにつながる衝突消光を受ける。また（ｂ）分子会合：光学的に励起されたイオンは、Ｈ２と化学的に反応し、その結合を切断し、水素化イッテルビウム（ＹｂＨ＋）分子を形成するのに十分なエネルギーを有する。いずれの場合も、イオンは散乱ドップラー冷却光子を停止し、ＥＭＣＣＤカメラ（Ａｎｄｏｒ ｉＸｏｎ ８９７）で撮像されたように、イオン鎖に欠けているように見える。したがって、暗イオンの発生率、すなわち、γｉｎ＝Ｐｉｎγを記録することにより、圧力の相対的な測定値を抽出することができる。暗イオンの発生率は、クライオスタットの温度の関数として測定され（例えば、図９参照）、５．５Ｋの温度上昇で、１桁の増加を観察する。極低温真空システムにおける暗イオン発生率を、１・１０－１１Ｔｏｒｒのゲージ測定圧力を有する室温ＵＨＶシステムと比較することによって、残存バックグラウンド圧力を以下
のように推測することができる。この方法により、Ｐ４Ｋ＜１０－１２Ｔｏｒｒであると、推定することができる。
【数11】
【0074】
図９は、平均暗イオン発生率を温度の関数として示すダイアグラム９００を示す。データは、３３個のイオンを用いて、時間を１２時間～３時間の範囲で変化させて得られた。報告された非弾性率は、各イオン当たりである。エラーバーは、各データセットの標準偏差である。エラーバーの大きさは、非弾性衝突プロセスが稀にしか発生しないため、統計が不十分なことに起因する。
【0075】
圧力を測定するために、Ｎ個のイオンがジグザグ構成にあるとき、すなわち、
であるとき、弾性衝突によって引き起こされる再構成事象の割合γｅｌも考慮される。ここで、ωｙ，ｚは２つの横周波数で、ωｘは軸周波数である（図１０を参照）。この条件が満たされると、小さなエネルギーギャップによって分離された２つの縮退構成が存在し、それは、横モード分裂Δωｔｒ＝ωｚ－ωｙに依存する。弾性衝突が起こると、イオンが獲得したエネルギーがバリアを克服するのに十分であれば、イオンは「ジグ」構成から「ザグ」構成に切り替わる有限の確率を有する。したがって、観測可能なのは、γｅｌ＝ｐｆｌｉｐγであり、ここで、ｐｆｌｉｐは、横モード分裂Δωｔｒと入ってくる粒子のエネルギーの関数であるジグザグ鎖を反転する確率である。ｐｆｌｉｐを計算するために、２×１０４のＲＦ期間にわたって平均エネルギー＜ＥＨ２＞＝３／２ｋＢＴのＨ２分子と衝突した後、パウルトラップ内の３１個のイオンの数値シミュレーションを実行し、温度とエネルギー障壁に依存する確率を計算した。弾性率γｅｌを、２つの異なる温度（Ｔ＝４．７ＫおよびＴ＝７Ｋ）において、Δωｔｒ＝２π×２ｋＨｚで測定した。式（４）を反転し、計算したｐｆｌｉｐを用いて、Ｔ＝４．７Ｋおよび７Ｋで、それぞれ圧力はＰ＝（２±１）・１０－１２ＴｏｒｒおよびＰ＝（４±２）・１０－１２Ｔｏｒｒと測定された。両方の測定値は、非弾性率の測定から得られた圧力推定値と妥当な一致をする。
【数12】
【0076】
図１０は、ジグザグイオン鎖を示すダイアグラム１０００を示す。この例では、（ωｘ，ωｘ，ωｘ）＝２π×（６７，６１３，６３２）ｋＨｚでＮ＝３５個のイオンを有するジグザグチェーンである。
【0077】
（Ｖ．均一に離間したイオン鎖）
セグメント化されたブレードトラップは、軸方向の非調和ポテンシャルを実現可能にする１０個の静的電極を特徴とする。特に、四次軸方向ポテンシャルは、大きなイオン鎖上での処理、冷却、およびコヒーレント動作の実行において、いくつかの利点を提供することが示されている。このようなポテンシャルは、イオン鎖の線形構成を実現するために必要な条件を緩和し、鎖の中心でのジグザグ転移を回避する。同時に、軸方向ポテンシャルの調整された非調和性により、クーロン反発によってイオン間隔が不均一になるのを最小限に抑え、イオン間の平均間隔を制御することが可能になる。さらに、均一な間隔配置によって、鎖中心のイオンが互いに近づきすぎるのを防ぎ、こうして、集束レーザビームによるイオン状態検出と単一イオン操作のクロストークが減少する。最終的に、非調和ポテンシャルを用いて、通常モード構造を整形し、横方向の通常モード分散を整形することにより、レーザ誘起スピン・スピン結合における不均一性を最小にすることができる。
セグメント化されたブレードトラップは、軸方向の非調和ポテンシャルを実現可能にする１０個の静的電極を特徴とする。特に、四次軸方向ポテンシャルは、大きなイオン鎖上での処理、冷却、およびコヒーレント動作の実行において、いくつかの利点を提供することが示されている。このようなポテンシャルは、イオン鎖の線形構成を実現するために必要な条件を緩和し、鎖の中心でのジグザグ転移を回避する。同時に、軸方向ポテンシャルの調整された非調和性により、クーロン反発によってイオン間隔が不均一になるのを最小限に抑え、イオン間の平均間隔を制御することが可能になる。さらに、均一な間隔配置によって、鎖中心のイオンが互いに近づきすぎるのを防ぎ、こうして、集束レーザビームによるイオン状態検出と単一イオン操作のクロストークが減少する。最終的に、非調和ポテンシャルを用いて、通常モード構造を整形し、横方向の通常モード分散を整形することにより、レーザ誘起スピン・スピン結合における不均一性を最小にすることができる。
【0078】
静的電極によって誘起される四次軸方向ポテンシャルの形成は、以下：
のように記載できる。ここで、ｘｉはｉ番目のイオンの位置で、
で、ωｘは軸周波数で、ｍはイオン原子質量である。軸方向均衡位置は、静電軸方向力
とイオン間クーロン反発力
との間の均衡によって決定される。
ここで、
は無次元単位でのｉ番目のイオンの位置で、
は軸方向ポテンシャルの特徴的な長さで、ε０は真空誘電率であり、ｑは電荷である。四次ポテンシャルは、イオン鎖の不均一性を最小限に抑えるために最適化できる無次元比
によって特徴付けられる。式（７）を解くことにより、特定のイオン数Ｎに対して最適な（Ｎ）（例えば、図１１（ｃ）を参照）を見つけることが可能であり、これは、比
によってパラメータ化できるイオンの不均一性を最小化する。ここで、σΔｘと
は、それぞれイオン間隔の標準偏差と平均間隔である。最適なβ＊（Ｎ）が見つかると、高調波周波数ωｘの絶対値に依存する所望の平均間隔
を選ぶことによって、ポテンシャルを完全に決定することができる。二次項
の特定の選択は、特性長さ
を決定し、特定の平衡平均間隔
に対応する。したがって、四次成分は、式
によって一義的に決定される。図１１（ａ）では、イオンがＮ＝１８個～Ｎ＝４４個までの範囲の四次ポテンシャルを線形構成で調整することによって、最小分散対平均間隔比（実線の曲線）を取得する方法が示されている。
【数13】
【数14】
【数15】
【数16】
ここで、
【数17】
【数18】
【数19】
【数20】
【数21】
【数22】
【数23】
【数24】
【数25】
【数26】
【0079】
図１１（ａ）、図１１（ｂ）、および図１１（ｃ）は、それぞれ、等間隔のイオン鎖を示すダイアグラム１１００ａ、１１００ｂおよび１１００ｃを示している。図１１（ａ）は、線状鎖内のイオンの数の関数としての平均比に対する間隔の分散
である。データ点は、最適化された電極構成で取得され、不均一性が最小限に抑えられる。これは、四次ポテンシャルの理論的予測に対応する。間隔値は、利用可能な電極電圧およびＣＣＤ寸法センサに関する実用上の考慮事項に従って選択されている。図１１（ｂ）は、Ｎ＝２０、２８、３６、および４４個のイオンに対して最適化された間隔の不均一性を有するイオン鎖である。Ｎ＝４４個の場合の四次ポテンシャルの縮尺通りでないプロットが、見やすくするために示されている。イオン中心でのガウスフィット誤差を伝搬する誤差バーを計算した。図１１（ｃ）は、１／βの関数としてＮ＝２０、２８、３６、および４４個のイオンについて数値的に計算された平均比に対する間隔分散であり、これは、二次成分と四次成分との間の比を特徴付ける。
【数27】
【0080】
図１２は、低周波数振動を補償するためのフィードバック技術の一例を示すダイアグラム１２００を示す。図１２に示される基本的な考え方は、６３２ｎｍでの追加の連続波レーザが、トラップホルダに取り付けられた小さなミラーから跳ね返るイオンの振動を干渉計測的に検知するであろうということである。これは、フィードフォワードだけでなく、振動を完全にゼロにすることを可能にする実際のフィードバックである。ダイアグラム１２００は、図１（ａ）および図７に示すものと同様の球状八角形１２１０と、イオンを保持する振動トラップホルダ１２１５と、３５５ｎｍでラマンビーム１および２を提供するシステム１２２０と、６３２ｎｍレーザ光を使用するフィードバック技術を可能にする様々な構成要素（例えば、差動フォトダイオード、ミラー、ビームスプリッタ、およびＰＩＤ回路）を有するシステム１２３０とを示す。
【0081】
【0082】
１３１０において、トラップイオンシステムを動作させるための方法１３００は、トラップ内でイオンの鎖を極低温にするステップであって、そのトラップは微細加工トラップであり、イオンの鎖は少なくとも３０個のイオンを有する、ステップを含む。例えば、イオンの鎖は、少なくともトラップの電極が極低温にされるトラップ内に提供され、形成され、有効にされ、または他の方法で維持されてもよい。
【0083】
１３２０において、トラップイオンシステムを動作させるための方法１３００は、極低温でトラップ内のイオンの鎖を使用して、量子計算または量子シミュレーションの一方または両方を実行するステップを含む。
【0084】
方法１３００の一態様では、少なくとも３０個のイオンを有するイオンの鎖が、少なくとも４０個のイオン、５０個のイオン、６０個のイオン、７０個のイオン、８０個のイオン、または９０個のイオンを含む。
【0085】
方法１３００の一態様では、極低温は、２０Ｋ未満であり、約４Ｋの温度を含む。
【0086】
【0087】
１４１０において、極低温トラップイオンシステム内の圧力測定を実施するための方法１４００は、極低温トラップイオンシステム内にジグザグイオン鎖を確立するステップを含む。
【0088】
１４２０において、極低温トラップイオンシステムで圧力測定を実施するための方法１４００は、ジグザグイオン鎖の構成の変化を検出するステップを含む。
【0089】
１４３０において、極低温トラップイオンシステムで圧力測定を実施するための方法１４００は、構成の変化の検出に基づいて、圧力の測定を決定するステップを含む。
【0090】
方法１４００の一態様では、構成の変化は、「ジグ」構成から「ザグ」構成へのジグザグイオン鎖の反転に対応する。
【0091】
方法１４００の一態様において、構成の変化の検出に基づいて、圧力の測定を決定するステップは、「ジグ」構成から「ザグ」構成へジグザグイオン鎖をフリップする確率に基づく。
【0092】
方法１４００の一態様では、ジグザグイオン鎖の構成の変化は、ジグザグイオン鎖と残留バックグラウンド分子または原子との間の弾性衝突に応答する。
【0093】
方法１４００の一態様では、ジグザグイオン鎖の構成の変化を検出するステップは、ジグザグイオン鎖の構成の変化率を検出することを含み、構成の変化の検出に基づいて、圧力の測定値を決定するステップは、その変化率に基づいて、圧力の測定値を決定することを含む。
【0094】
方法１４００の一態様では、ジグザグイオン鎖は、３０個以上のイオンを含む。
【0095】
方法１４００の一態様では、極低温トラップイオンシステムにおいてジグザグイオン鎖を確立するステップは、線形イオン鎖が中央で座屈するように線形イオン鎖を締め付けることと、締め付けられたイオン鎖を完全に線形に戻すことなく緩めることと、を含む。
【0096】
【0097】
１５１０において、ＱＩＰシステムで低周波振動を補償する方法１５００は、低周波振動を測定するステップを含む。
【0098】
１５２０において、ＱＩＰシステムで低周波振動を補償する方法１５００は、１つまたは複数の光学構成要素を調整するために、測定値に基づいて制御信号を生成するステップを含む。
【0099】
１５３０において、ＱＩＰシステムで低周波振動を補償する方法１５００は、制御信号を使用して、１つまたは複数の光学構成要素の動作を制御するステップを含む。
【0100】
方法１５００の一態様において、低周波数振動を測定するステップは、マイケルソン干渉計を使用して、振動を測定することを含む。
【0101】
方法１５００の一態様において、制御信号を生成するステップは、フィードフォワード信号を生成することを含む。
【0102】
方法１５００の一態様において、制御信号を生成するステップは、フィードバック信号を生成することを含む。
【0103】
方法１５００の一態様では、１つまたは複数の光学構成要素は、音響光学変調器または複数のレーザのうちの１つまたは複数を含む。
【0104】
方法１５００の一態様では、制御信号を使用して１つまたは複数の光学構成要素の動作を制御するステップは、１つまたは複数の光学構成要素の少なくとも１つの位相を制御することを含む。
【0105】
本方法１５００の態様において、１つまたは複数の光学構成要素の少なくとも１つの位相を制御することは、低周波数振動によって引き起こされるイオントラップ内のイオンの移動に対抗するように行われる。
【0106】
方法１５００の態様において、ＱＩＰシステムは、極低温システムであり、低周波振動は、極低温システムの密閉サイクルチラーによって引き起こされる。
【0107】
図１６は、本開示の態様によるＱＩＰシステム１６００の一例を示すブロック図である。ＱＩＰシステム１６００は、量子コンピューティングシステム、コンピュータデバイスなどと呼ばれることもある。一態様では、ＱＩＰシステム１６００は、図１７のコンピューティングデバイス１７００の量子コンピュータ実装の複数部分に対応し得る。さらに、ＱＩＰシステム１６００の態様は、図１（ａ）、図１（ｂ）、図３、図７、および図１２に関連して示され得る。
【0108】
ＱＩＰシステム１００は、光学コントローラ１６２０によって一旦イオン化された原子種をトラップするイオントラップ１６７０を有するチャンバ１６５０に原子種を供給するソース１６６０を含むことができる。光学コントローラ１６２０内の光学ソース１６３０は、原子種のイオン化、原子イオンの制御（例えば、位相制御）、および光学コントローラ１６２０内の撮像システム１６４０内で動作する画像処理アルゴリズムによって監視して、追跡することのできる原子イオンの蛍光のために使用することができる１つまたは複数のレーザ源を含むことができる。撮像システム１６４０は、イオントラップ１６７０に提供されている間（例えば、計数のため）、またはイオントラップ１６７０に提供された後（例えば、原子イオン状態を監視するため、または測定のために）、原子イオンを監視するための高分解能撮像装置（例えば、ＣＣＤカメラ）を含むことができる。一態様では、撮像システム１６４０は、光学コントローラ１６２０とは別個に実装することができるが、画像処理アルゴリズムを使用して原子イオンを検出し、識別し、ラベル付けするための蛍光の使用は、光学コントローラ１６２０と調整する必要がある場合もある。
【0109】
ＱＩＰシステム１６００は、量子アルゴリズム（例えば、ＱＦＴ、量子シミュレーション）を実行するために、ＱＩＰシステム１６００の他のパーツ（図示せず）とともに動作し得るアルゴリズム構成要素１６１０も含んでもよい。したがって、アルゴリズム構成要素１０１０は、ＱＩＰシステム１６００の様々な構成要素（例えば、光学コントローラ１０２０）に命令を提供し得ることで、量子回路またはその等価物、例えば、本明細書で説明されるものなどを実装することが可能になる。すなわち、アルゴリズム構成要素１６１０は、例えば、イオントラップ１６７０を使用して、異なる計算プリミティブを物理表現にマッピングすることを可能にし得る。
【0110】
ＱＩＰシステム１６００は、また、極低温トラップイオンシステムに関連して本明細書で説明する測定技術または診断技術のうちの１つまたは複数を実行するように構成された測定構成要素１６１５を含むことができる。
【0111】
ここで、図１７を参照すると、本開示の態様による例示的なコンピュータデバイス１７００が示されている。コンピュータデバイス１７００は、例えば、単一のコンピューティングデバイス、複数のコンピューティングデバイスまたは分散コンピューティングシステムを代表し得る。コンピュータデバイス１７００は、量子コンピュータ、従来コンピュータ、または量子計算機能および従来計算機能の組合せとして構成することができる。一例では、コンピュータデバイス１７００を使用して、極低温トラップイオンシステムに関連して本明細書で説明する測定技術または診断技術のうちの１つまたは複数を実行することができる。さらに、コンピュータデバイス１７００は、量子コンピュータとして使用してもよく、量子アルゴリズムおよび／または量子シミュレーションを実装してもよい。
【0112】
一例では、コンピュータデバイス１７００は、本明細書で説明する特徴のうちの１つまたは複数に関連する処理機能を実行するためのプロセッサ１７１０を含むことができる。プロセッサ１７１０は、単一または複数セットのプロセッサまたはマルチコアプロセッサを含んでもよい。さらに、プロセッサ１７１０は、統合処理システムおよび／または分散処理システムとして実装されてもよい。プロセッサ１７１０は、ＣＰＵ（中央処理ユニット）、ＱＰＵ（量子処理ユニット）、ＧＰＵ（グラフィック処理ユニット）、またはこれらのタイプのプロセッサの組合せを含むことができる。
【0113】
一例では、コンピュータデバイス１７００は、本明細書に記載する機能を実行するためにプロセッサ１７１０によって実行可能な命令を記憶するメモリ１７２０を含んでもよい。一実施形態では、例えば、メモリ１７２０は、本明細書に記載する１つまたは複数の機能または動作を実行するためのコードまたは命令を記憶するコンピュータ可読記憶媒体に対応することができる。一例では、メモリ１７２０は、例えば、方法１３００、１４００、および１５００の態様を実行するための命令を含み得る。
【0114】
さらに、コンピュータデバイス１７００は、本明細書で説明するように、ハードウェア、ソフトウェア、およびサービスを利用して、１人または複数人の当事者との通信を確立し、維持することを提供する通信構成要素１７３０を含むことができる。通信構成要素１７３０は、コンピュータデバイス１７００上の構成要素間でも、コンピュータデバイス１７００と、外部デバイス、例えば、通信網を介して配置されたデバイスおよび／またはコンピュータデバイス１７００にシリアルまたはローカルに接続されたデバイスとの間でも通信を搬送することができる。例えば、通信構成要素１７３０は、１つまたは複数のバスを含むことができ、さらに、外部装置とインターフェースするために動作可能な送信機および受信機にそれぞれ関連する送信鎖構成要素および受信鎖構成要素を含むことができる。
【0115】
さらに、コンピュータデバイス１７００は、データストア１７４０を含むことができ、本明細書で説明する実装形態に関連して使用される情報、データベース、およびプログラムの大容量記憶を提供するハードウェアおよび／またはソフトウェアの任意の適切な組合せとすることができる。例えば、データストア１７４０は、オペレーティングシステム１７６０（例えば、従来ＯＳ、または量子ＯＳ）のためのデータリポジトリであってもよい。一実施形態では、データストア１７４０は、メモリ１７２０を含むことができる。
【0116】
コンピュータデバイス１７００は、また、コンピュータデバイス１７００のユーザから入力を受信するように動作可能であり、さらにユーザに提示するための出力を生成するように、または異なるシステムに（直接的または間接的に）提供するように動作可能なユーザインタフェース構成要素１７５０を含むことができる。ユーザインタフェース構成要素１７５０は、１つまたは複数の入力装置を含むことができる。入力装置には、キーボード、ナンバーパッド、マウス、タッチセンシティブディスプレイ、デジタイザ、ナビゲーションキー、ファンクションキー、マイクロフォン、音声認識構成要素、ユーザからの入力を受信することができる任意の他の機構、またはそれらの任意の組合せが含まれるが、これらに限定されない。さらに、ユーザインタフェース構成要素１７５０は、１つまたは出力装置を含むことができる。出力装置には、ディスプレイ、スピーカ、触覚フィードバック機構、プリンタ、ユーザに出力を提示することができる任意の他の機構、またはそれらの任意の組合せを含むが、これらに限定されない。
【0117】
一実装では、ユーザインタフェース構成要素１７５０は、オペレーティングシステム１７６０の動作に対応するメッセージを送受信することができる。さらに、プロセッサ１７１０は、オペレーティングシステム１７６０、および／またはアプリケーションもしくはプログラム（例えば、本明細書で説明する測定または診断のいずれかを実行するプログラム）を実行することができ、メモリ１７２０またはデータストア１７４０は、そのような動作からの結果を記憶することができる。
【0118】
コンピュータデバイス１７００がクラウドベースのインフラ解決策の一部として実装される場合、ユーザインタフェース構成要素１７５０を使用して、クラウドベースのインフラ解決策のユーザがコンピュータデバイス１７００とリモートで対話できるようにすることが可能になる。
【0119】
本開示では、スピンモデルのシミュレーションも含む大規模量子計算のために、新しい極低温イオントラップ装置について説明した。このシステムは、線状鎖内の１００個を超えるイオンを定期的にトラップし、それらのイオンを数時間保持するように設計され、最適化されている。システムの機械的安定性は改善され、残留バックグラウンド圧力は、分子との非弾性衝突率および弾性衝突率を測定することによって特徴付けられ、均一に離間されたイオン鎖を達成するために非調和ポテンシャルを使用した。
【0120】
本開示は、図示された実施形態に従って提供されたが、当業者は、実施形態にバリエーションがあり得、それらのバリエーションも本開示の範囲内にあることを容易に認識するであろう。したがって、添付の特許請求の範囲から逸脱することなく、当業者は多くの修正を行うことができる。
【図1(a)】
【図1(b)】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】