特表 2023-535135 小容量ＵＨＶイオントラップパッケージ及び形成方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2023-08-16

(54)【発明の名称】小容量ＵＨＶイオントラップパッケージ及び形成方法

(51)【国際特許分類】

   G06N 10/20 20220101AFI20230808BHJP

【ＦＩ】

G06N10/20

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023501355

(86)(22)【出願日】2021-07-09

(85)【翻訳文提出日】2023-02-27

(86)【国際出願番号】 US2021041143

(87)【国際公開番号】W WO2022011290

(87)【国際公開日】2022-01-13

(31)【優先権主張番号】63/049,842

(32)【優先日】2020-07-09

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(31)【優先権主張番号】17/371,899

(32)【優先日】2021-07-09

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】507189666

【氏名又は名称】デューク ユニバーシティ

(71)【出願人】

【識別番号】523007133

【氏名又は名称】コールドクアンタ インコーポレイテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100094569

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 伸一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100103610

【弁理士】

【氏名又は名称】▲吉▼田 和彦

(74)【代理人】

【識別番号】100109070

【弁理士】

【氏名又は名称】須田 洋之

(74)【代理人】

【識別番号】100098475

【弁理士】

【氏名又は名称】倉澤 伊知郎

(74)【代理人】

【識別番号】100130937

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 泰史

(74)【代理人】

【識別番号】100144451

【弁理士】

【氏名又は名称】鈴木 博子

(74)【代理人】

【識別番号】100162824

【弁理士】

【氏名又は名称】石崎 亮

(72)【発明者】

【氏名】キム ジュンサン

(72)【発明者】

【氏名】フレイセン ヘルト

(72)【発明者】

【氏名】インレック イスマイル

(72)【発明者】

【氏名】ノエル トム

(72)【発明者】

【氏名】アイヴォリー メーガン

(72)【発明者】

【氏名】カト アレクサンダー

(72)【発明者】

【氏名】ヒューズ スティーヴ

(57)【要約】

本開示の態様は、極低温を上回る温度で動作できるコンパクトなＵＨＶイオントラップシステムを可能にするシステム、方法及び構造について説明する。本開示によるイオントラップシステムは、ＵＨＶ環境内に保持された状態で表面処理されて密封され、異種の部品が、溶接接合部、圧縮性金属フランジ及びＵＨＶ適合はんだ接合部などのＵＨＶシールを介して接合される。この結果、極低温ポンプが不要になることによって、極めて小容量のシステムが可能になる。
【選択図】 図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

イオントラップシステムであって、
チップキャリア上に配置されたイオントラップと、
前記イオントラップを第１のチャンバに封入するエンクロージャと、
を備え、前記エンクロージャは、前記チップキャリアとハウジングとを含む複数のピースパーツを含み、前記複数のピースパーツの前記ピースパーツは、ＵＨＶシールから成る複数のシールで接合され、
前記第１のチャンバは、１０^-10Ｔｏｒｒ以下の圧力を有し、
前記第１のチャンバは、１０ｃｍ³以下の内部容積を有し、
前記イオントラップシステムは、－５０℃以上の動作温度を有する、
ことを特徴とするイオントラップシステム。

【請求項2】

アブレーションオーブンをさらに備える、
請求項１に記載のイオントラップシステム。

【請求項3】

前記複数のピースパーツは第１の窓を含む、
請求項２に記載のイオントラップシステム。

【請求項4】

前記第１の窓は、前記窓を通じた低分子ガスの拡散を抑制する単結晶材料を含む、
請求項３に記載のイオントラップシステム。

【請求項5】

前記複数のシールのうちの少なくとも１つのシールは、溶接接合部、圧縮性金属フランジ及びＵＨＶ適合はんだ接合部のうちの少なくとも１つを含む、
請求項１に記載のイオントラップシステム。

【請求項6】

前記エンクロージャは、ガス分子を吸着するように活性化される第１の表面を含む、
請求項１に記載のイオントラップシステム。

【請求項7】

（１）ゲッター材料及び（２）イオンポンプの少なくとも一方をさらに備える、
請求項１に記載のイオントラップシステム。

【請求項8】

イオントラップシステムであって、
チップキャリア上に配置されたイオントラップと、
前記イオントラップを第１のチャンバに封入する、前記チップキャリアとハウジングとを含む複数のピースパーツを含むエンクロージャと、
前記複数のピースパーツの前記ピースパーツを接合する、ＵＨＶシールから成る複数のシールと、
第１のＵＨＶシールを介して前記エンクロージャに接合されたイオンポンプと、
を備え、
前記第１のチャンバは、１０^-10Ｔｏｒｒ以下の圧力を有し、
前記イオントラップシステムはクライオ吸着ポンプを使用せず、
前記イオントラップシステムは、－５０℃以上の動作温度を可能にするように構成される、
ことを特徴とするイオントラップシステム。

【請求項9】

前記第１のチャンバは、１０ｃｍ³以下の内部容積を有する、請求項８に記載のイオントラップシステム。

【請求項10】

前記複数のシールのうち少なくとも１つのシールは、溶接接合部、圧縮性金属フランジ、及びＵＨＶ適合はんだ接合部のうちの少なくとも１つを含む、
請求項８に記載のイオントラップシステム。

【請求項11】

アブレーションオーブンをさらに備える、
請求項８に記載のイオントラップシステム。

【請求項12】

前記エンクロージャは、第２のＵＨＶシールにおいて前記エンクロージャに接合される第１の窓をさらに含む、
請求項１１に記載のイオントラップシステム。

【請求項13】

前記窓は、該窓を通じた低分子ガスの拡散を抑制する単結晶材料を含む、
請求項１２に記載のイオントラップシステム。

【請求項14】

前記エンクロージャは、ガス分子を吸着するように活性化される第１の表面を含む、
請求項８に記載のイオントラップシステム。

【請求項15】

イオントラップシステムを形成する方法であって、該方法は、
１０^-9Ｔｏｒｒ以下の第１の圧力を有する第１の環境内にイオントラップを配置することであって、前記イオントラップは、ＵＨＶシールから成る複数のシールで接合された複数のピースパーツを含むエンクロージャのチャンバ内に配置され、前記チャンバは前記第１の環境に開放されている、ことと、
前記イオントラップ及び前記エンクロージャが前記第１の環境内に位置している間に第１のＵＨＶシールを形成して前記チャンバを前記第１の環境から遮断することと、
を含むことを特徴とする方法。

【請求項16】

前記チャンバ内に１０^-10Ｔｏｒｒ以下の第２の圧力を提供することをさらに含む、
請求項１５に記載の方法。

【請求項17】

前記第１の圧力は１０^-10Ｔｏｒｒ以下になるように提供される、
請求項１５に記載の方法。

【請求項18】

前記第１のＵＨＶシールは溶接接合部である、
請求項１５に記載の方法。

【請求項19】

前記第１のＵＨＶシールは、圧縮性金属フランジ及びＵＨＶ適合性はんだ接合部の少なくとも一方を含む、
請求項１５に記載の方法。

【請求項20】

前記エンクロージャを、低分子ガスの拡散を抑制する単結晶材料を含む窓を含むように提供することをさらに含む、
請求項１５に記載の方法。

【請求項21】

前記エンクロージャ及び前記イオントラップが前記第１の環境内に位置している間に前記エンクロージャの少なくとも１つの表面を表面処理することをさらに含む、
請求項１５に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

〔連邦政府が支援する研究に関する記述〕
本発明は、米国陸軍研究所によって授与された連邦認可番号Ｗ９１１ＮＦ１６－１－００８２に基づき政府の支援を受けて行われたものである。政府は、本発明における一定の権利を有する。
〔関連出願との相互参照〕
本出願は、２０１７年７月１８日に出願された米国仮出願シリアル番号第６２／５３３，９２７号（代理人整理番号：ＤＵ５３０８ＰＲＯＶ）の利益を主張する２０１８年３月２６日に出願された米国本特許出願シリアル番号第１５／９３５，３１２号（代理人整理番号：５２５－０１５ＵＳ１）（現米国特許第１０，７５５，９１３号）の分割出願である２０２０年６月２６日に出願された同時係属中の米国本特許出願シリアル番号第１６／９１３，９３２号（代理人整理番号：５２５－０１５ＵＳ２）の一部継続出願であり、これらの各文献は引用により本明細書に詳細に記載されているかのように組み入れられる。

【0002】

また、本出願は、２０２０年７月９日に出願された米国仮特許出願シリアル番号第６３／０４９，８４２号（代理人整理番号：ＤＵ７１９１ＰＲＯＶ）の利益も主張するものであり、この文献は引用により本明細書に詳細に記載されているかのように組み入れられる。

【0003】

本開示は、一般に量子コンピューティングに関し、具体的には、超高真空環境をサポートできるイオントラップ用ハウジングに関する。

【背景技術】

【0004】

原子イオンを用いたシステムは、その長いコヒーレンス時間、量子ビット間の完全な接続性、及び忠実度の高いゲート操作を理由に、実用的な量子コンピュータのための主要な物理的プラットフォームのうちの１つである。しかしながら、固体素子に基づく量子ビットとは異なり、捕捉イオンシステムを拡張するための統合的アプローチは明らかでない。実用的な捕捉イオン量子コンピューティングシステムを構築するために、複雑な捕捉イオンシステムを設計する多くの新規着想が概説されてきた。

【0005】

捕捉イオン実験は、より良好な量子ビット分離を提供して信頼できる高忠実度ゲートを実行するために、従来の線形的なポールトラップを使用するか、それとも微細加工された表面トラップを使用するかにかかわらず、最終的に背景ガス分子との衝突事象が存在しないことに依拠する。批判的に言えば、超高真空（ＵＨＶ）領域（＜１＊１０^-11Ｔｏｒｒ）内の圧力は、背景ガス衝突率を、イオン鎖並び替え事象（ｉｏｎ－ｃｈａｉｎ ｒｅｏｒｄｅｒｉｎｇ ｅｖｅｎｔｓ）及びトラップからのイオンの損失を最小化できるほど低く保つ必要がある。また、量子計算には忠実度の高いゲートが必要であり、必然的にスケーラブルな捕捉イオン量子コンピュータの優れた光学機械的堅牢性及び安定性を伴う。これらの遷移を量子ビット操作及び読み出しに正しく利用するには、近共鳴プロセス（ｎｅａｒ－ｒｅｓｏｎａｎｔ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ）を駆動するレーザーの光周波数を１０¹⁰範囲内の部分に安定化すべきである。多くの場合、量子論理ゲートは、正確な周波数差を有する２つの遠離調光非前方励起ビーム（ｆａｒ－ｄｅｔｕｎｅｄ ｎｏｎ－ｃｏ－ｐｒｏｐａｇａｔｉｎｇ ｂｅａｍｓ）がイオンの位置で交差するラマン遷移を利用して駆動される。これらのラマンビームのビーム路程及びビームポインティングが変動すると、イオンにおける光位相及び光強度が変動してゲートが不完全になる。これらの問題を回避するには、捕捉イオンシステム、及びレーザービームの送出に使用される光学素子が、温度変動、気流及び機械的振動などの環境ノイズに対して安定している必要がある。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

先行技術では、真空品質を維持しながら極低温度を利用してＵＨＶ動作領域の容量を抑えた極低温システムを採用することによって、スケーラブルな捕捉イオン量子コンピュータの要件に対応してきた。しかしながら、極低温システムは大型かつ高価である。また、密閉サイクルのクライオスタットによって好ましくない振動が発生する。

【0007】

低温動作を必要としない実用的でコンパクトな捕捉イオンシステムが最先端技術を進化させると思われる。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本開示は、超高真空内で非極低温で動作できるとともに１０立方センチメートル（ｃｃ）以下のシステム容量を有することができる極めてコンパクトなイオントラップシステムを可能にする。

【0009】

イオントラップシステムのイオントラップエンクロージャが超高真空（ＵＨＶ）環境内に保持されている間にイオントラップエンクロージャの原位置表面処理及び真空密封を実行することにより、先行技術からの進化を図る。この結果、エンクロージャを構成するピースパーツが、溶接接合部、真空フランジ及びＵＨＶ対応はんだシールなどのＵＨＶシールのみを使用して接合されるようになる。さらに、本開示による実施形態は、先行技術のイオントラップエンクロージャで一般的に使用されている、大型であり又は時間と共に信頼性が低くなることが知られている真空バルブ又はピンチオフチューブ（ｐｉｎｃｈ－ｏｆｆ ｔｕｂｅｓ）を含まない。さらに、イオントラップをエンクロージャ内に封入する前にＵＨＶ環境を確立することによって、大型で複雑な極低温真空システムの必要性が回避される結果、非常に低容量のイオントラップシステムが可能になる。

【0010】

本開示による例示的な実施形態は、約２ｃｍ³の体積を有する高真空チャンバ内にイオントラップを封入するエンクロージャを含むイオントラップシステムである。エンクロージャは、イオントラップが取り付けられるチップキャリアと、ハウジングと、蓋とを含む複数のピースパーツを含み、エンクロージャのピースパーツ間の全ての接合は、１０^-9Ｔｏｒｒ以下の圧力を有する環境内に配置された状態で、ＵＨＶ蒸着システムでの使用に適するＵＨＶシールを使用して行われる。エンクロージャが超高真空状態で密封されてベースライン圧力を確立するので、このイオントラップシステムは極低温冷却システムを必要としない。この結果、チャンバ及びシステム全体が非常に小さな体積を有することができ、イオントラップが極低温を上回る温度で動作することができる。いくつかの実施形態では、真空ポンプがチャンバ内の圧力を１０^-10Ｔｏｒｒよりもはるかに低く抑えることができるように、エンクロージャが、ＵＨＶ環境内に密閉される前に真空ポンプに流体的に結合される。

【0011】

いくつかの実施形態では、エンクロージャが１又は２以上の窓を含み、これらの窓は、ビューポートと、イオントラップにイオンをロードする光イオン化レーザー信号の光アクセスと、チャンバ内で原子流束を生成するために材料をアブレーションするレーザー信号の光アクセスとを提供し、捕捉イオン量子ビットの初期化、操作及び読み出しのために使用される１又は２以上のレーザー信号を供給し、及び／又はイメージング及び量子ビット状態検出のために捕捉イオン量子ビットから散乱光子を収集する。

【0012】

本開示による実施形態は、イオントラップシステムであって、チップキャリア上に配置されたイオントラップと、イオントラップを第１のチャンバに封入するエンクロージャとを備え、エンクロージャが、チップキャリアとハウジングとを含む複数のピースパーツを含み、複数のピースパーツのピースパーツが、ＵＨＶシールから成る複数のシールで接合され、第１のチャンバが、１０^-10Ｔｏｒｒ以下の圧力を有し、第１のチャンバが、１０ｃｍ³以下の内部容積を有し、イオントラップシステムが－５０℃以上の動作温度を有する、イオントラップシステムである。

【0013】

本開示による別の実施形態は、イオントラップシステムであって、チップキャリア上に配置されたイオントラップと、イオントラップを第１のチャンバに封入する、チップキャリアとハウジングとを含む複数のピースパーツを含むエンクロージャと、複数のピースパーツのピースパーツを接合する、ＵＨＶシールから成る複数のシールと、第１のＵＨＶシールを介してエンクロージャに接合されたイオンポンプとを備え、第１のチャンバが、１０^-10Ｔｏｒｒ以下の圧力を有し、イオントラップシステムがクライオ吸着ポンプを使用せず、イオントラップシステムが、－５０℃以上の動作温度を可能にするように構成された、イオントラップシステムである。

【0014】

本開示によるさらに別の実施形態は、イオントラップシステムを形成する方法であって、１０^-9Ｔｏｒｒ以下の第１の圧力を有する第１の環境内にイオントラップを配置し、イオントラップが、ＵＨＶシールから成る複数のシールで接合された複数のピースパーツを含むエンクロージャのチャンバ内に配置され、チャンバが第１の環境に開放されている、ことと、イオントラップ及びエンクロージャが第１の環境内に位置している間に第１のＵＨＶシールを形成してチャンバを第１の環境から遮断することと、を含む方法である。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】本開示による例示的なイオントラップシステムのブロック図である。

【図2A】例示的な実施形態によるイオントラップパッケージの上面ビューの概略図である。

【図2B】例示的な実施形態によるイオントラップパッケージの断面ビューの概略図である。

【図3】例示的な実施形態による、イオントラップパッケージを形成するのに適した方法の動作を示す図である。

【図4】本開示によるＵＨＶ組立システムのブロック図である。

【図5】本開示による、イオントラップシステム内の圧力をモニタする方法の動作を示す図である。

【図6A】本開示による二重井戸ポテンシャルのシミュレーションを示す図である。

【図6B】本開示による、二重井戸ポテンシャルのウェル間の捕捉イオンの位置を時間の関数としてプロットした図である。

【図7】本開示による、イオントラップシステム内の圧力をモニタする別の方法の動作を示す図である。

【図8A】方法７００の６イオン鎖の衝突エネルギーを推定するために使用される第１の鎖配置及び第２の鎖配置を示す図である。

【図8B】イオン並び替え事象間の時間間隔のヒストグラムを示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下は、本開示の原理を説明するものにすぎない。従って、当業者であれば、本明細書では明示的に説明又は図示していないが、本開示の原理を具現化する、本開示の趣旨及び範囲内に含まれる様々な構成を考案することができると理解されるであろう。

【0017】

さらに、本明細書に記載する全ての実施例及び条件付き表現は、主に本開示の原理、及び本技術を推進するために（単複の）発明者によってもたらされる概念を読者が理解するのを支援する教育目的であることのみを明示的に意図されており、このような具体的に記載する実施例及び条件に限定されるものではないものと解釈されたい。

【0018】

さらに、本開示の原理、態様及び実施形態、並びにその具体例を記載する本明細書の全ての記述は、その構造的同等物及び機能的同等物の両方を含むように意図される。また、このような同等物は、現在知られている同等物及び将来開発される同等物の両方、すなわち構造とは無関係に同じ機能を実行するいずれかの開発された要素を含むことが意図される。

【0019】

従って、例えば、当業者であれば、本明細書におけるいずれかのブロック図は、本開示の原理を具現化する例示的な回路の概念的なビューを表すものであると理解するであろう。同様に、いずれかのフローチャート、フロー図、状態遷移図及び疑似コードなどは、コンピュータ可読媒体において実質的に表現できる、従ってコンピュータ又はプロセッサが明示的に示されているか否かにかかわらず、このようなコンピュータ又はプロセッサによって実行できる様々なプロセスを表すものであると理解されるであろう。

【0020】

図面に示す、「プロセッサ」として表記できるいずれかの機能ブロックを含む様々な要素の機能は、専用ハードウェア、及び適切なソフトウェアに関連してソフトウェアを実行できるハードウェアの使用を通じて提供することができる。これらの機能は、プロセッサによって提供される場合、単一の専用プロセッサ、単一の共有プロセッサ又は複数の個々のプロセッサによって提供することができ、これらのいくつかは共有することもできる。さらに、「プロセッサ」又は「コントローラ」という用語を明示的に使用している場合でも、もっぱらソフトウェアを実行できるハードウェアを意味するものと解釈すべきではなく、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）ハードウェア、ネットワークプロセッサ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、ソフトウェアを記憶するリードオンリメモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、及び不揮発性ストレージを非明示的に含むことができる。従来の及び／又は特注の他のハードウェアを含めることもできる。

【0021】

本明細書では、ソフトウェアであることが暗示されるソフトウェアモジュール又は単純にモジュールを、プロセスステップ及び／又はテキスト記述の実行を示すフローチャート要素又はその他の要素のいずれかの組み合わせとして表すことができる。このようなモジュールは、明示的又は非明示的に示されるハードウェアによって実行することができる。

【0022】

本明細書において明示的に指定していない限り、図面を含む図は縮尺通りではない。

【0023】

添付の特許請求の範囲を含む本明細書で使用するために、以下の用語を定義する。
・「ＵＨＶシール」は、実質的に水素及びヘリウムなどの低分子ガス不透過性のシールとして定義される。本開示によるＵＨＶシールは、ＵＨＶシールのみを使用して密閉されたチャンバ内のＵＨＶ環境などの、ＵＨＶシールが位置するバリアにわたって少なくとも１０^-10Ｔｏｒｒの圧力差を維持することができる。本開示による使用に適したＵＨＶシールの例としては、圧縮性金属フランジ、ＵＨＶ適合はんだ（例えば、インジウム、金－スズなど）及び溶接接合部などが挙げられる。なお、本明細書に示すＵＨＶシールの定義は、先行技術のイオントラップシステムで使用されるような、チャンバを真空排気するために使用され、チャンバ内に真空圧が確立された後にチューブを機械的にクランピングし及び／又ははんだで密封することによって密封されたチューブである真空「ピンチオフチューブ」を明示的に除外する。
・「非ＵＨＶシール」は、ＵＨＶ蒸着システムでの使用に適していないシール、及び／又は実質的に水素又はヘリウムなどの低分子ガス不透過性ではないシールとして定義される。非ＵＨＶシールの例としては、ピンチオフチューブ、非金属材料製の圧縮性ガスケット、及び非ＵＨＶ適合はんだシールなどが挙げられる。

【0024】

図１は、本開示による例示的なイオントラップシステムのブロック図である。イオントラップシステム１００は、イオントラップパッケージ１０２、イオンポンプ１０４、アブレーションレーザー１０６、及びイオン化レーザー１０８を含む。

【0025】

イオンポンプ１０４は、イオントラップパッケージ１０２に流体的に結合されたコンパクトな従来のイオンポンプである。

【0026】

アブレーションレーザー１０６は、原子流束（ａｔｏｍｉｃ ｆｌｕｘ）を生成するためにイオントラップパッケージ１０２内の材料にアブレーション信号１１４を供給するのに適したパルスレーザー源である。後述するように、アブレーションされる材料に対するアブレーション信号１１４の光アクセスは、イオントラップパッケージ１０２に窓を含めることによって可能になる。図示の例では、アブレーションレーザー１０６が、０．３ｍＪパルスエネルギーを有する８ｎｓ幅パルスを供給する１０６４ｎｍの波長を有するＱスイッチＮｄ：ＹＡＧパルスレーザーであるが、アブレーションレーザー１０６では他のレーザー源を使用することもできる。

【0027】

レーザーモジュール１０８は、イオントラップパッケージ１０２内の中性原子のイオン化、ドップラー冷却及び検出、並びに光再ポンピング（ｏｐｔｉｃａｌ ｒｅ－ｐｕｍｐｉｎｇ）に適した波長を含むレーザー信号１１６を提供する従来のレーザー光源を含む。図示の例では、レーザーモジュール１０８が、３５５ｎｍ、３９１ｎｍ、３９９ｎｍ、３７０ｎｍ、６３８ｎｍ及び９３５ｎｍの波長を有する連続波（ＣＷ）レーザーを含む。

【0028】

ＲＦポート１１０及びＤＣポート１１２は、イオントラップ２０２の電極に対するＲＦ及びＤＣ電気信号の外部電気接続を可能にする従来の電気フィードスルーである。

【0029】

図２Ａ～図２Ｂは、それぞれ例示的な実施形態によるイオントラップパッケージの上面ビュー及び断面ビューの概略図である。図２Ｂに示す断面ビューは、図２Ａに示す線ａ－ａを通じて切り取ったものである。

【0030】

イオントラップパッケージ１０２は、イオントラップ２０２と、超高真空（ＵＨＶ）環境内でイオントラップを取り囲むエンクロージャ２０４とを含む。

【0031】

図３は、例示的な実施形態による、イオントラップパッケージを形成するのに適した方法の動作を示す図である。方法３００について、図１及び図２Ａ～図２Ｂを引き続き参照するとともに図４も参照しながら説明する。方法３００は、イオントラップ２０２を従来のチップキャリア２０６に取り付けてワイヤボンディングする動作３０１から開始する。

【0032】

イオントラップ２０２は、従来の微細加工された表面イオントラップである。本開示の教示による使用に適した表面イオントラップの例としては、サンディア国立研究所（Ｓａｎｄｉａ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ）のＨＯＡ ２．０イオントラップなどが挙げられる。当業者であれば理解するであろうが、微細加工された表面イオントラップは、基板の表面上に２つの一次元アレイ状に配置されて線形アレイ間に線形トラップ領域ＴＲを定めるようにされた複数の電極を含む。トラップ領域ＴＲの長手方向軸はトラップ軸ＴＡを定める。

【0033】

イオントラップ２０２の電極は、イオントラップにおけるＲＦ及びＤＣ電気信号の所望の配置を可能にするように、（図２Ａ～図２Ｂには示していない）ＲＦポート１１０及びＤＣポート１１２にワイヤボンディングされたボンドパッドに電気的に結合される。

【0034】

エンクロージャ２０４は、チップキャリア２０６と、側壁２０８Ａ及び蓋２０８Ｂを含むハウジング２０８とを含む複数のピースパーツを含む。いくつかの実施形態では、ハウジング２０８が、側壁２０８Ａ及び蓋２０８Ｂを定める連続部分を含む単一構造（ｕｎｉｔａｒｙ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）である。例えば、いくつかの実施形態では、ハウジング２０８が固体材料ブロックから機械加工されることによって、側壁２０８Ａ及び蓋２０８Ｂを含む単一の連続要素が形成される。

【0035】

図示の例では、エンクロージャ２０４が、側壁２０８Ｂに取り付けられた窓２１４－１～２１４－３、及び蓋２０８Ｂに取り付けられた窓２１４－４も含む。窓２１４－１～２１４－４は、それぞれＵＨＶシール２１０－１～２１０－４を介してハウジング２０８内に取り付けられて、窓及びＵＨＶシールは実質的に水素、ヘリウムなどの低分子ガス不透過性であるようにされる。窓２１４－１～２１４－４は、低分子ガスの拡散も緩和する単結晶材料で形成されることが好ましい。

【0036】

図示の例では、各窓が、最初に窓にろう付け接合部を形成した後にろう付け接合部をハウジングに電子ビーム溶接することによって形成されたＵＨＶシールを介してハウジング２０８に密封される。

【0037】

動作３０２において、側壁２０８ＡをＵＨＶシール２１０－５及び２１０－６においてそれぞれ蓋２０８Ｂ及びイオンポンプ１０４に接合する。ＵＨＶシール２１０－５及び２１０－６の各々も、実質的に水素、ヘリウムなどの低分子ガス不透過性である。図示の例では、ＵＨＶシール２１０－５及び２１０－６の各々が溶接接合部である。

【0038】

動作３０３において、チップキャリア２０６と、ハウジング２０８及びイオンポンプ１０４を含む部分的に組み立てられたエンクロージャとをＵＨＶ組立システム４００に装填する。

【0039】

図４は、本開示によるＵＨＶ組立システムのブロック図である。ＵＨＶ組立システム４００は、別個のコンポーネントを位置合わせして、これらをＵＨＶ条件下にある間に接合することができる位置合わせ／接合システムである。ＵＨＶ組立システム４００は、ＵＨＶチャンバ４０２、ポンプ４０４、位置合わせシステム４０６、接合システム４０８、及びロードロック４１０を含む。

【0040】

ＵＨＶチャンバ４０２は、１０^-9Ｔｏｒｒ以下の圧力を維持することができる環境チャンバである。

【0041】

チップキャリア、ハウジング及びイオンポンプは、ＵＨＶ環境の著しい劣化を伴わずにピースパーツをＵＨＶチャンバ４０２内に装填できる従来のポータルであるロードロック４０４を介してＵＨＶチャンバ４０２内に配置される。

【0042】

ポンプ４０６は、ＵＨＶチャンバを１０^-9Ｔｏｒｒ以下の圧力まで真空排気するように構成された従来のＵＨＶポンプである。

【0043】

位置合わせシステム４０８は、複数のピースパーツ間の高精度位置合わせを達成して維持することができる６自由度の位置合わせシステムである。

【0044】

動作３０４において、チャンバ２１２内の少なくとも１つの表面にイオンスパッタリングなどの表面処理を適用する。図示の例では、アルゴンイオンビーム処理、プラズマ処理及び熱処理を含む複数の表面処理が実行される。

【0045】

動作３０５において、蓋２０８Ｂ上にゲッター表面２２０を形成する。いくつかの実施形態では、チャンバ２１２内に非蒸発性ゲッター（ＮＥＧ）などの従来のゲッターが配置される。

【0046】

動作３０６において、チップキャリア２０６及びハウジング２０８を位置合わせする。

【0047】

図示の例では、チップキャリア２０６及びハウジング２０８が、トラップ軸ＴＲがイオンポンプ方向に沿って配向されてトラップ軸ＴＡがアブレーション信号１１４の伝搬方向に対して角度θで配向されるように位置合わせされ接合される。図示の例では、アブレーション信号が対角線においてトラップ領域ＴＲに交わるように、θが約４５°に等しい。

【0048】

アブレーション信号１１４の光アクセスは、アブレーション信号が材料をアブレーションして原子流束を発生させるためにるつぼ２１６内の材料２１８にアクセスすることを可能にする窓２１４－１によって可能になる。図示の例では、材料２１８がイッテルビウム（Ｙｂ）である。

【0049】

同様に、イオントラップ２０２に対するレーザー信号１１６の光アクセスは窓２１４－２によって可能になる。

【0050】

図示の例では、ＵＨＶシール２１０－１～２１０－６の各々がレーザー溶接接合部である。いくつかの実施形態では、ＵＨＶシール２１０－１～２１０－６のうちの少なくとも１つが、圧縮性金属フランジ（例えば、銅フランジなど）、ろう付け接合部、或いは限定するわけではないがインジウム及び金すずなどのＵＨＶシステムでの使用に適した材料を含むＵＨＶ適合はんだリングなどの異なるＵＨＶシールである。

【0051】

動作３０７において、ＵＨＶシール２１０－７を介してチップキャリア２０６及びハウジング２０８を接合する。図示の例では、ＵＨＶシール２１０－７が、インジウムを含むはんだシールである。ＵＨＶシール２１０－７の形成によってエンクロージャ２０４が完成することにより、ＵＨＶチャンバ４０２内と同等の内部ＵＨＶ環境を有するチャンバ２１２内にイオントラップ２０２が密封される。換言すれば、チャンバ２１２は、動作３０４の完了時に圧力が１０^-9以下の環境を含む。

【0052】

図示の例では、エンクロージャ２０４が、完全に組み立てられた時点で約１３０ｍｍ×１００ｍｍ×７０ｍｍの全体的寸法を有する。しかしながら、当業者には本明細書を読んだ後に明らかになるように、これらの寸法は例示にすぎず、エンクロージャ２０４は、本開示の範囲から逸脱することなくいずれかの実用的な物理的寸法を有することができる。

【0053】

図示の例では、接合システム４１０が、ＵＨＶ環境で動作するように構成されたインジウム密封システムであり、ＵＨＶシール２１０－７がインジウムはんだリングである。しかしながら、ＵＨＶ条件下でピースパーツを接合するには、本開示の範囲から逸脱することなくレーザー溶接システム以外の接合システムを使用することもできる。いくつかの実施形態では、例えば、接合システム４１０が、レーザー溶接システム、はんだ付けシステム、及び／又は分子線エピタキシー（ＭＢＥ）システム及び原子層エピタキシー（ＡＬＥ）システムなどのＵＨＶ蒸着システムで使用されるものに類似する圧縮性金属フランジ圧縮システムを含む。

【0054】

いくつかの実施形態では、接合されるエンクロージャ２０４のピースパーツが、圧縮性金属フランジ及び／又はＵＨＶ適合性はんだを介して溶接又は接合された時に信頼できるシールを確実にするように噛み合う溝付きリング（ｇｒｏｏｖｅ ｒｉｎｇｓ）及びフレームを含む。

【0055】

なお、エンクロージャ２０４は、ＵＨＶチャンバ４０２に入れられる前に（シール２１０－６を除いて）イオンポンプ１０４と共に組み立てられて接合されるが、いくつかの実施形態では、エンクロージャアセンブリのより多くの部分がＵＨＶチャンバ自体の内部で完成する（例えば、窓２１４－１～２１４－３のうちの少なくとも１つ及び／又は蓋が側壁２０８Ａに接合される、及び／又は側壁２０８Ａがチップキャリア２０６に接合される、など）。さらに、いくつかの実施形態では、完全に又は部分的に組み立てられたエンクロージャ２０４及びイオンポンプ１０４が、ＵＨＶチャンバ内に存在している間に接合される。

【0056】

本開示の態様では、ＵＨＶシールのみを使用してエンクロージャのピースパーツを接合し、内部チャンバが１０^-9Ｔｏｒｒ以下の圧力を有している間にエンクロージャを密封することで、先行技術のイオントラップシステムを凌ぐ以下のような著しい利点を実施形態にもたらす。
・信頼性の低いピンチオフチューブの排除、又は、
・極低温（例えば、－５０℃以上）を上回る温度での動作が可能なこと、又は、
・大幅に小さなイオントラップシステム全体の容積、又は、
・極低温ポンプを使用しないイオントラップシステムが可能なこと、又は、
・ｉ、ｉｉ、ｉｉｉ及びｉｖのいずれかの組み合わせ。

【0057】

例えば、例示的な実施形態では、チャンバ２１２が約２ｃｍ³の体積しか有していない。いくつかの実施形態では、チャンバ２１２の体積が２ｃｍ³以外であるが、１０ｃｍ³未満であることが好ましい。

【0058】

任意の動作３０８において、チャンバ２１２内の圧力を１０^-10Ｔｏｒｒ以下に低減する。図示の例では、イオンポンプ１０４が、チャンバ１０４内の圧力を２×１０^-11Ｔｏｒｒ以下に低下させる。

【0059】

当業者には明らかなように、捕捉イオンシステム内の真空品質はイオン鎖の寿命を決定付ける。残留する背景ガス分子と捕捉イオンとの間の十分な運動エネルギー伝達を伴う衝突は捕捉イオン鎖を著しく破壊する可能性があるため、これらの間の弾性衝突率は、捕捉イオンベースの量子コンピュータの非常に重要なパラメータである。量子計算に必要な期間にわたってイオン鎖を確実に維持するには、真空度が（好ましくは約１０^-11Ｔｏｒｒ以上の）超高真空領域内でなければならない。

【0060】

本開示の別の態様は、１又は２以上の捕捉イオンの挙動をモニタすることによってチャンバ２１２内の圧力を測定（又は推定）できることである。

【0061】

図５は、本開示による、イオントラップシステム内の圧力をモニタする方法の動作を示す図である。方法５００は、イオントラップ２０２内に二重井戸ポテンシャルを形成する動作５０１から開始する。

【0062】

図６Ａに、本開示による二重井戸ポテンシャルのシミュレーションを示す。

【0063】

プロット６００には、ウェルＷ１及びＷ２間のポテンシャル障壁の高さが衝突事象からの平均エネルギー伝達（すなわち、衝突エネルギー）よりも著しく低い最小値を有する条件での軸方向位置の関数としてのイオンポテンシャルを示す。

【0064】

動作５０２において、２つのウェル間のポテンシャル障壁を制御する。図示の例では、ポテンシャル障壁の高さＢＨが、次式によって与えられる平均衝突エネルギー＜Ｅｉ＞_θよりも約４０倍低い５０μｅＶになるように制御され、

（１）
ここでは、ｍｉ及びｍｍはトラップ内のイオン及び背景ガス分子の質量であり、ｖはイオン及び背景ガス分子の相対的速度であり、θは散乱角であり、Ｅｍは背景ガス分子の初期運動エネルギーである。この例では、イオンが¹⁷⁴Ｙｂ⁺であり、背景ガス分子がＨ₂であり、従って式（１）により、平均衝突エネルギー＜Ｅｉ＞_θは約２ｍｅＶであると推定される。この条件下では、全ての衝突事象がイオン位置を無作為化すると予想される。

【0065】

動作５０３において、単一の捕捉イオンの位置をウェルＷ１及びＷ２間でモニタする。図示の例では、捕捉イオンの位置が、電子増倍ＣＣＤ（ＥＭＣＣＤ）カメラでイオン位置を撮像して２つのウェルのうちのどちらがイオンを含むかを判定することによって決定される。

【0066】

図６Ｂは、本開示による、二重井戸ポテンシャルのウェル間の捕捉イオンの位置を時間の関数としてプロットした図である。

【0067】

プロット６０２は、２つのポテンシャルウェルの最小値が位置する（領域１及び領域２として指定する）領域内の画素の総ＥＭＣＣＤ信号カウントのサンプルトレースを示すことによって、イオンの位置を時間の関数（すなわち、転移率）として示す。

【0068】

動作５０４において、ウェルＷ１及びＷ２間でイオンが遷移する比率を決定する。この遷移率はプロット６０２から抽出される。図示の例では、遷移率が３２分毎に１事象である。イオンは、衝突後には最終的にいずれかのウェル内にドップラー冷却されるので、実際の衝突率は、測定された遷移率のおよそ２倍であると予想される。

【0069】

動作５０５において、抽出された衝突率に基づいてチャンバ２１２内の圧力を推定する。衝突率γとチャンバ２１２内の圧力との関係は次式によって与えられ、

（２）
ここでは、Ｐはチャンバ２１２内の圧力であり、Ｑは捕捉イオンの正味電荷であり、Ｔは温度であり、αは背景分子の分極率であり、ε₀は真空誘電率である。

【0070】

図示の例では、γ＝１／（１６分）であり、μ≒ｍＨ２＝３．３２×１０^-32ｋｇであり、αＨ２＝８^*１０^-31ｍ³であり、Ｔ＝３００Ｋである。この結果、イオン位置における圧力Ｐは２．２×１０^-11Ｔｏｒｒに等しくなる。

【0071】

いくつかの実施形態では、ＵＨＶチャンバ内の圧力が、イオントラップ内に保持されたイオン鎖におけるイオンの並び替え率に基づいて推定される。

【0072】

図７は、本開示による、イオントラップシステム内の圧力をモニタする別の方法の動作を示す図である。方法７００は、互いに異なる少なくとも１つの特性を有するイオンの同位体をイオントラップ２０２内で捕捉されるイオン鎖に含まれるように選択する動作７０１から開始する。異なる特性を有するイオンを選択することで、イオン鎖内のイオンの順序を決定できるようになる。図示の例では、同位体が¹⁷⁴Ｙｂ⁺及び¹⁷²Ｙｂ⁺のイオンとして選択されており、これらはイオントラップシステム１００内でそれぞれ明るいイオン及び暗いイオンとして現れるようになる。いくつかの実施形態では、複数の同位体について選択される異なる特性が明るさとは異なる。本開示に従って同位体を区別するために選択できる他の特性の例としては、限定するわけではないがイオン種、イオン同位体などが挙げられる。

【0073】

動作７０２において、イオン鎖における観測可能な並び替え事象を引き起こすのに必要な衝突エネルギーを推定する。

【0074】

動作７０３において、選択されたイオンの鎖をイオントラップ２０２内で捕捉する。図示の例では、イオン鎖が、４つの¹⁷⁴Ｙｂ⁺のイオン及び２つの¹⁷²Ｙｂ⁺のイオンを含む。なお、同位体の質量のわずかな差分は、予想される２．２ｍｅＶのエネルギー障壁を大幅に変化させることはないため、通常は無視することができる。

【0075】

イオン鎖には複数の同位体が含まれるが、ドップラー冷却レーザー（図示の例では３７０ｎｍ）と共鳴関係にあるのは１つのみであり、従ってこの同位体のみがＥＭＣＣＤカメラによって検出される。図示の例では、¹⁷⁴Ｙｂ⁺のイオンが明るいイオンとして選択されており、２つの¹⁷²Ｙｂ⁺のイオンは暗いままである。

【0076】

この衝突エネルギーを推定するために、（１）イオンがその典型的な配置でトラップ軸に沿って整列している第１の鎖配置と、（２）イオンのうちの２つが横軸のうちの１つに押し込まれた第２の鎖配置との間のエネルギー差。

【0077】

図８Ａに、方法７００の６イオン鎖の衝突エネルギーを推定するために使用される第１及び第２の鎖配置を示す。

【0078】

トラップ内で同一のイオンが静止している場合、鎖の総エネルギーは次式によって与えられ、

ここでは、ｍはイオンの質量であり、ω_x、y、zはそれぞれｘ、ｙ、ｚ方向のトラップ周波数であり、Ｒ_i＝（Ｘ_i、Ｙ_i、Ｚ_i）はトラップ内のｉ番目のイオンの平衡位置であり、Ｑはイオンの電荷である。

【0079】

図示の例では、ω_x、yが２．７ＭＨｚに等しく、ω_zが０．３２ＭＨｚに等しい。この結果、第１及び第２の鎖配置間のエネルギー差は約２．２ｍｅＶとして決定することができる。

【0080】

この結果、イオン鎖が衝突事象によって約２．２ｍｅＶを上回るエネルギーを獲得した時に並び替え事象が発生すると予想することができる。この値は、上記の方程式（１）によって与えられる、単一の衝突事象における推定平均エネルギー交換に近い。従って、背景分子のおよそ半分が２．２ｍｅＶを上回るエネルギーを有するようになるので、２回の衝突事象のうちの１回が並び替え事象を引き起こすと予想することができる。

【0081】

動作７０４において、ＥＭＣＣＤカメラを介してイオン鎖内のイオンの順序をモニタする。

【0082】

動作７０５において、イオン並び替え事象間の時間間隔を決定する。

【0083】

図８Ｂに、イオン並び替え事象間の時間間隔のヒストグラムを示す。プロット８００は、１５時間にわたって記録したイオン鎖並び替え事象の２分の時間ビンにおける並び替え間隔時間を示す。

【0084】

プロット８００に示すように５４回の並び替え事象が記録され、平均並び替え率は１５．８分毎に約１事象である。なお、いくつかの隣接するイオンペアは同一の同位体であるため、並び替え事象の約２／３しか検出されていないと推定される。この結果、記録されたデータに補正係数を適用すると、「真の」並び替え率は約１０．５分毎に１事象である。

【0085】

なお、遷移をもたらした全てのイオン－分子衝突が並び替え事象を引き起こしたと仮定すれば、６イオン鎖を考慮して２イオン鎖の衝突率を３倍する単純な乗算に基づいて５．３分毎に１事象の並び替え率が予想される。並び替え衝突事象に必要なエネルギーが衝突事象中の推定平均エネルギー交換と同様の約２．２ｍｅＶであることを考慮すると、衝突率のおよそ半分の並び替え率が測定されることが妥当である。

【0086】

動作７０６において、イオン鎖の並び替え率に基づいてチャンバ２１２内の圧力を推定する。

【0087】

本開示は、本開示による実施形態のほんのいくつかの例を教示するものにすぎず、当業者であれば、本開示を読んだ後に本発明の多くの変形例を容易に考案することができ、また本発明の範囲は以下の特許請求の範囲によって決定されるべきであると理解されたい。

【符号の説明】

【0088】

１００ イオントラップシステム
１０２ イオントラップパッケージ
１０４ イオンポンプ
１０６ アブレーションレーザー
１０８ レーザーモジュール
１１０ ＲＦポート
１１２ ＤＣポート
１１４ アブレーション信号
１１６ レーザー信号

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6A】

【図6B】

【図7】

【図8A】

【図8B】

【国際調査報告】