[发明专利]基于MEMS的三维离子阱装置及其制造方法

说明书

在本发明的实施例中，提供一种离子阱装置及其制造方法，所述离子阱装置的基板的上侧或者下侧包括第一RF电极轨、第二RF电极轨、一个以上的第一DC电极及一个以上的第二DC电极，其特征在于，所述基板在以所述离子阱装置的宽度方向为基准而一侧和另一侧相隔一定距离而分离的空间内形成离子阱，所述第一RF电极轨和所述第二RF电极轨沿着所述离子阱装置的长度方向并行布置，所述第一RF电极轨位于所述一侧的上部，所述一个以上的第二DC电极位于所述一侧的下部，所述一个以上的第一DC电极位于所述另一侧的上部，所述第二RF电极轨位于所述另一侧的下部，具有从所述基板的一侧或者另一侧的外侧面连接至所述阱区域的激光贯穿路径。

技术领域

本发明的实施例涉及用于贯穿离子阱结构的激光使用的基于微机电系统(MEMS)的三维离子阱装置及其制造方法。

背景技术

该部分记载的内容仅用于提供本发明实施例的背景信息，而不用于构成背景技术。

量子计算机使用不同于现有计算机的量子算法，相比于现有的运算方式，其处理速度有飞跃性增长。因量子运算技术的发达，现有的基于RSA(Rivest Shamir Adleman)的加密技术变得容易被破解，因此，用于替代现有加密方式的量子密钥分配(QKD)系统得到开发，而且已经在个别公司得到商业化而使这些系统中得到实用。

目前，量子密钥分配系统的最大局限性在于，由于一个光子通过光纤时的衰减，使通信时一次送出的距离受到限制。为了克服该缺点，需要使用量子中继器(QuantumRepeater)对信号进行放大，离子阱是制造量子中继器所必需的量子存储器的构建方法中最受关注的方式。

离子阱的最基本的形状如图1的(a)所示，是由4个电极棒e1、e2、e3和e4组成的结构，如图1的(b)所示，e1和e4接地，对e2和e3施加高电压的RF信号，生成电场时，基于电极棒e1、e2、e3和e4的四边形区域的中间点受力，将基于这种平均力生成的势(Potential)称为有质动力势(Ponderomotive Potential)。

在图1的(c)中描述的有质动力势与电极棒e1、e2、e3和e4间捕获的电荷的符号无关。所述形成的势持续地将欲远离z轴的电荷引向中心，然而对于沿着z轴要将电荷粒子捕获至哪个位置，则不是确定的。因此，为了在如图1的(a)位置处捕获带电粒子，向e1和e4施加电压使V1V2的关系式成立而非将它们接地。

制造离子阱的方法有很多种，其中最受关注的是基于MEMS的三维离子阱。自从提出了将离子阱应用于计算机的概念以来，基于MEMS的平面型离子阱芯片如图2的(a)所示，以在硅基板上形成金属电极的方式制作，其特征是，如图2的(b)所示，在从离子阱装置高达几十至几百微米处捕获离子。与此相比，基于MEMS的三维离子阱技术通常可确保比平面阱芯片更高的位势深度(Potential Depth)，从而可延长离子的寿命。

如图3所示，基于MEMS的离子阱芯片在UHV(Uitra High Vacuum,超高真空)下利用基于高电压RF(Radio Frequency)信号和DC(Direct Current)电压形成的电场，捕获离子。此时，RF电极被施加可达几百伏特的高电压。在RF电极中施加的RF信号不是高电压时，可顺利地施加，但是在RF电极中施加的RF信号为高电压时，在RF电极和周围电极之间，发生故障(Breakdown)的可能性非常高。例如，RF电极和DC电极间发生故障时，RF电极和DC电极被破坏，从而不能使用离子阱芯片。

作为解决所述问题的方法之一，通过加宽RF电极和DC电极之间的间隔以解决潜在发生故障的问题，但却降低了离子阱芯片的性能。因此，为了延长捕获到的离子的寿命，有必要通过利用激光减少离子的动能来进行离子的冷却。