包括离子阱的封装及其制造方法技术

本发明专利技术揭示一种具有改进热特性的封装级、集成高真空离子芯片外壳。根据本发明专利技术的外壳包含位于芯片载体的相对侧上的第一及第二腔室，其中所述腔室经由通过所述芯片载体的导管进行流体耦合。离子阱位于所述第一腔室中并且安置在所述芯片载体上。用于产生原子通量的源位于所述第二腔室中。将所述源与离子阱分离在不同腔室中提供所述源与离子阱之间的热隔离，而所述腔室之间的所述导管使得所述离子阱能够接收所述原子通量。

Packaging and manufacturing methods including ion trap

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】包括离子阱的封装及其制造方法关于联邦资助研究的声明本专利技术是在美国政府支持下在由陆军研究办公室授予的第W911NF-10-1-0231号联邦资助下完成的。政府拥有本专利技术的某些权利。相关申请案的交叉参考本申请案主张于2017年7月18日申请的标题为“用于俘获离子系统的紧凑型UHV封装及其制造及使用方法(CompactUHVPackageforTrappedIonSystemsandMethodsofMakingandUsingSame)”的序列号为62/533,927的美国临时申请案(代理人案号：DU5308PROV)的权益，所述申请案以引用的方式并入本文中。如果在本申请案与已以引用的方式并入本文中的案例中的一或多者之间存在可能影响本案例中的权利要求书的解释的语言上的任何矛盾或不一致之处，那么本案例中的权利要求书应被解释为与本案例中的语言相一致。
本专利技术大体上涉及量子计算系统，并且更特定来说涉及用于在量子计算系统中容纳离子阱的超高真空封装。
技术介绍
量子计算是一种新兴技术，其利用经典系统中不存在的量子力学现象(例如，叠加及纠缠等)来处理信息。在常规计算系统中，信息的基本单位是位，其为可处于“一”或“零”状态的双态元素。相比之下，量子计算系统中信息的基本单位(称为量子位)可同时处于两种状态的任何叠加(称为“叠加状态”)中。此外，许多量子位可能处于相关状态的叠加中，使得无法将系统描述为个别量子位状态的乘积(称为“纠缠状态”)。这些形式的表示信息的量子位状态在常规(经典)计算机中不可用。因此，从理论上讲，大型量子计算机可解决使用常规计算方法实际无法解决的一些问题。不幸的是，量子计算机已被证明难以大规模实现。用于实现实用量子计算的一种有吸引力的途径是“俘获离子处理”，其依赖于电磁场将原子离子限制在自由空间中，并经由一或多个激光束光学寻址及读出量子位。俘获离子处理被认为是大规模量子计算及稳健量子信息处理(QIP)的潜在使能技术。已经提出并成功演示能够实现可扩展量子计算及远距离量子通信的新型俘获离子协议；然而，事实证明，常规离子阱的大小及复杂性是实现实用、大规模、可部署的俘获离子QIP系统的限制因素。近来，微制造(表面)阱的进展已经证明高性能量子位测量及量子门优于常规手动组装的宏观阱。实际上，已经证实能够潜在地支撑一百个以上离子的微制造表面阱，其中单量子位性质与宏观阱中展现的那些量子位性质相当。因此，据信此类阱表示克服量子计算所面临的扩展挑战的重要一步。不幸的是，基于芯片的离子阱的使用导致若干其它挑战，其中一些挑战是芯片技术所固有的，而其它挑战根本上源于此方法的可扩展性质。一个显著挑战源于离子阱受到异常加热的事实，其中当离子更靠近俘获电极的表面被俘获时，离子会经历高于预期的运动加热。这将对由离子的运动自由度介导的多量子位门的质量产生重大影响。幸运的是，最近的研究表明，原位清洁阱电极可将加热速率大大降低到基本热噪声极限的数量级内。基于芯片的离子阱的另一挑战是需要将俘获离子与背景残留气体分子隔离。因此，离子阱必须在极高的真空水平下操作-通常为10-9托或更高。从历史上看，复杂而繁琐的基础设施对于实现此真空水平是必不可少的。因此，采用微制造的表面阱的常规量子计算系统的可扩展性仍然是一个挑战。另外，微制造表面阱需要离子源来加载阱。通常，离子是从由源(例如热炉)产生的原子羽流捕获。不幸的是，由常规源产生的热量可能会干扰离子阱操作。通过按比例缩小离子阱系统，源与离子阱之间的距离会缩小，从而进一步加剧它们之间的热耦合。对可支持高真空条件，产生高压射频(RF)信号，大量DC信号，实现一或多个激光束的光学进入以寻址/读出阱状态以及对原子通量的源的操作的实用离子阱外壳的需要尚未在现有技术中得到满足。
技术实现思路
本专利技术实现实用的大型量子计算机，而没有现有技术的某些成本及缺点。本专利技术的实施例采用集成封装技术以显著减小量子计算机的操作所需的离子阱外壳的尺寸及复杂性，同时通过减少离子阱与用以加载阱的源之间的热串扰来改进其操作。像现有技术的外壳一样，本专利技术在高真空腔室中容纳离子阱，所述高真空腔室通过接合与芯片载体的表面接合的壳体而形成。在现有技术中，高真空室还容纳用于提供用以加载阱的原子通量的源。因此，由源产生的热量容易与离子阱耦合，这可能会干扰阱操作。与现有技术形成鲜明对比的是，本专利技术的实施例将离子阱及源分离到位于芯片载体的相对侧上的不同高真空腔室中。由源产生的原子通量传播通过两个腔室之间的导管，以实现用离子加载阱；然而，将源及离子阱分离到芯片载体的相对侧上的单独腔室中减少其之间的热耦合。因此，本专利技术的实施例能够比现有技术更好地在低温下操作。本专利技术的说明性实施例是一种离子阱外壳，其包括位于芯片载体的第一侧上的第一腔室及位于芯片载体的相对侧上的第二腔室，其中第一腔室容纳离子阱且第二腔室容纳用于提供原子通量的源。形成在芯片载体、离子阱及任选中介层中的贯穿端口经对准以共同界定两个腔室之间的导管，所述导管使得离子阱能够接收来自源的原子通量。低温吸附泵包含在外壳中以促进在两个腔室内实现高真空条件。在一些实施例中，第一腔室经配置以将不可蒸发的吸气剂定位成紧邻离子阱以改进阱寿命。在一些实施例中，源是热炉，其经由源材料的升华来产生原子通量。在一些实施例中，源是烧蚀炉，其包括烧蚀激光器及用于保持源材料的坩埚。烧蚀激光器及坩埚经布置使得激光器的输出可烧蚀源材料以产生原子通量。在一些实施例中，低温吸附泵由离子泵代替。本专利技术的实施例是一种离子阱外壳，其包括：芯片载体，其具有第一主表面及在所述第一主表面远端的第二主表面；离子阱，其中所述离子阱安置在衬底上，所述衬底安置在所述第一主表面上；源，其可操作以用于将原子通量提供到所述离子阱，所述原子通量包括第一材料的原子；第一壳体，所述第一壳体及所述第一表面在第一密封件处接合，使得所述第一壳体及所述第一主表面共同界定容纳所述离子阱的第一腔室；及第二壳体，所述第二壳体及所述第二主表面在第二密封件处接合，使得所述第二壳体及所述第二主表面共同界定容纳所述源的第二腔室；其中所述第一腔室及第二腔室进行流体耦合。本专利技术的另一实施例是一种离子阱外壳，其包括：第一腔室，其容纳离子阱，其中所述离子阱安置在衬底的第一表面上，且其中所述第一腔室包含第一壳体，所述第一壳体实现所述离子阱与第一光信号之间的光学耦合；第二腔室，其容纳源，所述源可操作以用于提供包含第一材料的原子的原子通量；其中所述第一腔室及第二腔室进行流体耦合，使得所述原子通量在所述离子阱处被接收；其中所述第一腔室与第二腔室之间的热流受到限制；其中所述衬底位于所述离子阱与所述源之间；且其中所述离子阱外壳实现所述第一腔室内的小于或等于10-9托的压力水平。本专利技术的又一实施例是一种方法，其包括通过包含以下各者的操作来形成离子阱外壳：提供离子阱，使得其安置在衬底上，所述衬底安置在芯片载体上，所述芯片载体具有第一主表面及在所述第一主表面远端的第二主本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种离子阱外壳，其包括：/n芯片载体，其具有第一主表面及在所述第一主表面远端的第二主表面；/n离子阱，其中所述离子阱安置在衬底上，所述衬底安置在所述第一主表面上；/n源，其可操作以用于将原子通量提供到所述离子阱，所述原子通量包括第一材料的原子；/n第一壳体，所述第一壳体及所述第一表面在第一密封件处接合，使得所述第一壳体及所述第一主表面共同界定容纳所述离子阱的第一腔室；及/n第二壳体，所述第二壳体及所述第二主表面在第二密封件处接合，使得所述第二壳体及所述第二主表面共同界定容纳所述源的第二腔室；/n其中所述第一腔室及第二腔室进行流体耦合。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170718 US 62/533,927;20180326 US 15/935,3121.一种离子阱外壳，其包括：
芯片载体，其具有第一主表面及在所述第一主表面远端的第二主表面；
离子阱，其中所述离子阱安置在衬底上，所述衬底安置在所述第一主表面上；
源，其可操作以用于将原子通量提供到所述离子阱，所述原子通量包括第一材料的原子；
第一壳体，所述第一壳体及所述第一表面在第一密封件处接合，使得所述第一壳体及所述第一主表面共同界定容纳所述离子阱的第一腔室；及
第二壳体，所述第二壳体及所述第二主表面在第二密封件处接合，使得所述第二壳体及所述第二主表面共同界定容纳所述源的第二腔室；
其中所述第一腔室及第二腔室进行流体耦合。


2.根据权利要求1所述的离子阱外壳，其中所述第一壳体包含第一窗口，所述第一窗口实现所述离子阱与第一光信号之间的光学耦合。


3.根据权利要求2所述的离子阱外壳，其中所述第一光信号可操作以用于通过使所述原子通量中的所述第一材料的中性原子光电离来加载所述离子阱。


4.根据权利要求2所述的离子阱外壳，其中所述源包含烧蚀炉，所述烧蚀炉可操作以用于经由第一材料的激光烧蚀来产生所述原子通量，且其中所述第一壳体、离子阱及芯片载体经配置以实现所述第一材料与第二光信号之间的光学耦合。


5.根据权利要求4所述的离子阱外壳，其中所述第二光信号可操作以用于烧蚀所述第一材料。


6.根据权利要求2所述的离子阱外壳，其中所述第一光信号沿第一方向被引导，并且所述原子通量沿与所述第一方向大体上正交的第二方向传播。


7.根据权利要求1所述的离子阱外壳，其中所述源包含烧蚀炉，所述烧蚀炉可操作以用于经由所述第一材料的激光烧蚀来产生所述原子通量，且其中所述第二壳体经配置以实现所述第一材料与第一光信号之间的光学耦合。


8.根据权利要求1所述的离子阱外壳，其中所述源包含热炉，所述热炉可操作以用于经由所述第一材料的升华来产生所述原子通量。


9.根据权利要求1所述的离子阱外壳，其中所述外壳实现所述第一及第二腔室内的小于或等于10-9托的压力水平。


10.根据权利要求1所述的离子阱外壳，其中所述芯片载体包含至少一个端口，所述端口使得所述原子通量能够从所述第二腔室传递到所述第一腔室。


11.根据权利要求1所述的离子阱外壳，其进一步包括与所述第一腔室进行流体耦合的离子泵，其中所述第二腔室包含第一子腔室及第二子腔室，且其中所述离子泵容纳在所述第一及第二子腔室中的一者中。


12.根据权利要求1所述的离子阱外壳，其进一步包括与所述第一腔室进行流体耦合的吸气泵。


13.根据权利要求1所述的离子阱外壳，其进一步包括与所述第一腔室进行流体耦合的低温吸附泵。


14.一种离子阱外壳，其包括：
第一腔室，其容纳离子阱，其中所述离子阱安置在衬底的第一表面上，且其中所述第一腔室包含第一壳体，所述第一壳体实现所述离子阱与第一光信号之间的光学耦合；
第二腔室，其容纳源，所述源可操作以用于提供包含第一材料的原子的原子通量；
其中所述第一腔室及第二腔室进行流体耦合，使得所述原子通量在所述离子阱处被接收；
其中所述第一腔室与第二腔室之间的热流受到限制；
其中所述衬底位于所述离子阱与所述源之间；且
其中所述离子阱外壳实现所述第一腔室内的小于或等于10-9托的压力水平。


15.根据权利要求14所述的离子阱外壳，其中所述衬底安置在芯片载体的第一主表面上，所述芯片载体具有在所述第一主表面远端的第二主表面，且其中所述第一壳体及所述第一主表面在第一密封件处接合以共同界定所述第一腔室，且进一步其中所述第二壳体及所述第二主表面在第二密封件处接...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·金，K·胡德克，G·弗里伊森，R·斯皮维，P·毛恩茨，
申请(专利权)人：杜克大学，
类型：发明
国别省市：美国;US