DE102018121942B3 - Ion trap, method for regulating the ion trap and uses to drive an ion trap - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ionenfalle (1) und ein zugehöriges Verfahren zum Kalibrieren eines Wechselspannungsfeldes einer Ionenfalle. Die Ionenfalle (1) umfasst wenigstens zwei Elektroden (10, 12, 20, 22), die dazu ausgebildet sind, ein elektrisches Feld zu erzeugen, das zumindest in einem Bereich ein attraktives ponderomotives Potential umfasst, einen elektrischen Resonator (100) und eine Vakuumkammer (4). Der elektrische Resonator (100) ist dazu eingerichtet, Elektroden (10, 12, 20, 22) der Ionenfalle (1) mit einer Wechselspannung zu versorgen, wobei der elektrische Resonator (100) einen Schwingkreis (110) aufweist, wobei der Schwingkreis (110) innerhalb der Vakuumkammer (4) angeordnet ist.The present invention relates to an ion trap (1) and an associated method for calibrating an alternating voltage field of an ion trap. The ion trap (1) comprises at least two electrodes (10, 12, 20, 22) that are designed to generate an electric field that has an attractive ponderomotive potential in at least one area, an electric resonator (100) and a vacuum chamber (4). The electrical resonator (100) is set up to supply electrodes (10, 12, 20, 22) of the ion trap (1) with an alternating voltage, the electrical resonator (100) having an oscillating circuit (110), the oscillating circuit (110 ) is arranged within the vacuum chamber (4).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ionenfalle, ein Verfahren zum Kalibrieren eines Wechselspannungsfeldes einer Ionenfalle sowie Verwendungen zum Antrieb einer Ionenfalle.The present invention relates to an ion trap, a method for calibrating an AC field of an ion trap, and uses for driving an ion trap.
Die Erfindung betrifft insbesondere die Erzeugung einer hochfrequenten, insbesondere im Bereich von 10 bis 100 MHz, Hochspannung, insbesondere im Bereich von 100 bis über 1000 V, mit der eine Ionenfalle des auch als Paulfalle bekannten Typs unabhängig von ihrer geometrischen Ausführung betrieben wird, und eine zugehörige Ionenfalle. Insbesondere betroffen sind solche Ionenfallen, die in laserspektroskopischen Anwendungen wie ionenfallenbasierte Frequenznormale oder ionenfallenbasierte Quantencomputer eingesetzt werden.The invention relates in particular to the generation of a high-frequency, in particular in the range from 10 to 100 MHz, high voltage, in particular in the range from 100 to over 1000 V, with which an ion trap of the type also known as Paul trap is operated independently of its geometric design, and a associated ion trap. Ion traps which are used in laser spectroscopic applications such as ion trap-based frequency standards or ion trap-based quantum computers are particularly affected.
Insbesondere in laserspektroskopischen Anwendungen werden Ionenfallen bisher beispielsweise von Resonanztransformatoren aus handgewickelten Kupferluftspulen in Kupferzylindern angetrieben. Der gemeinte Aufbau wird als „helical resonator“ bezeichnet und beispielsweise vom folgenden Fachartikel beschrieben:
Ferner ist es aus der veröffentlichten Patentanmeldung
Die Ansteuerung mittels eines Resonanzschwingkreises hat den Vorteil, störendes, elektrisches Rauschen jenseits der Antriebsfrequenz auszufiltern und die aufgrund der parasitären Kapazitäten der Ionenfalle und üblicherweise verwandten Vakuumdurchführungen in den Bereich der Leistungselektronik gehende Antriebsleistung zu verringern.The control by means of a resonance resonant circuit has the advantage of filtering out disturbing electrical noise beyond the drive frequency and of reducing the drive power going into the field of power electronics due to the parasitic capacitances of the ion trap and usually related vacuum bushings.
In der diesen Vorteil durch hohe Güte maximierender Ausführung hat diese Art der Ansteuerung allerdings den Nachteil eines großen Volumens und Gewichts, einer schlechten Kontrolle und Stabilität der Resonanzfrequenz sowie des schlecht massenfertigungstauglichen Aufbaus.In the embodiment that maximizes this advantage through high quality, however, this type of control has the disadvantages of a large volume and weight, poor control and stability of the resonance frequency and poor construction suitable for mass production.
Es ist hierbei möglich, die Amplitude der so an die Ionenfallenelektroden angelegten Spannung zu messen und zu regeln. Dies ist bisher nur in der naheliegenden Ausführung bekannt, dass sich der Spannungsfühler außerhalb der Vakuumkammer befindet, in der die Ionenfalle betrieben wird, wie die veröffentlichte Patentanmeldung
Andere Elektroden können auf ein Gleichstrompotential gelegt werden. Dabei ist es Stand der Technik, bei diesen, aber nicht bei den auf Wechselspannungspotential liegenden Elektroden einen RC-Tiefpass zum Filtern des Spannungsrauschens einzusetzen. Dieser Tiefpass kann sich außer- oder innerhalb der Vakuumkammer, in der die Ionenfalle betrieben wird, befinden. Letzteres wurde beschrieben in
Die Gründe für die zuvor beschriebene Bauart sind, dass als fertig kaufbare Komponenten gefertigte Induktivitäten regelmäßig keine ausreichenden Güten aufweisen und daher keinen damit gebauten Schwingkreis (Resonator) ermöglichen, besonders nicht im Bereich der Leistungselektronik. Um geringe Verluste und damit hohe Güten zu ermöglichen, müssen Leiter mit hoher Oberfläche, d.h. letztendlich mit großem Querschnitt, von dem aufgrund des Skineffekts nur die äußersten 1 bis 10 Mikrometer benutzt werden, und hoher Oberflächenqualität ohne magnetisches Kernmaterial, das üblicherweise verlustbehaftet ist, verwendet werden. Entsprechend ist es ein nichttriviales Problem, eine ebenso gute oder bessere Alternative zu finden, obwohl sich Luftspulen aus bis zu fingerdicken Kupferdrähten nur manuell und mit erheblichen Fertigungstoleranzen herstellen lassen.The reasons for the design described above are that inductors manufactured as ready-to-buy components generally do not have sufficient qualities and therefore do not allow a resonant circuit built with them, especially not in the field of power electronics. In order to enable low losses and thus high grades, conductors with a high surface area, i.e. ultimately, with a large cross-section, of which only the outermost 1 to 10 micrometers are used due to the skin effect, and high surface quality without a magnetic core material, which is usually lossy. Accordingly, it is a non-trivial problem to find an equally good or better alternative, although air coils can only be made from copper wires up to finger-thick by hand and with considerable manufacturing tolerances.
Ionenfallenbasierte Quantencomputer beruhen üblicherweise auf dem Vorhaben, Ionen in einer großen Ionenfalle von einem Ort an den anderen bewegen zu können. Die meisten dabei auftretenden Aufgaben, wie beispielsweise eine Ansammlung mehrerer Ionen in diejenigen Ionen, die bewegt werden sollen, und alle anderen aufzuspalten oder wie die Durchführung der Bewegung und das Zusammenführen mit sich bereits am Zielort befindlichen Ionen, haben ausreichende, bereits erforschte Lösungen, so dass sie für diesen Artikel belanglos sind. Allerdings erfordert dieses Vorhaben, dass man eine große Ionenfalle bereitstellt, wobei eine große Ionenfalle derart verstanden wird, dass sie lange Strecken, entlang denen Ionen gefangen gehalten werden können, bereitstellt.Ion trap-based quantum computers are usually based on the idea of being able to move ions from one place to another in a large ion trap. Most of the tasks that occur, such as the accumulation of several ions into those ions that are to be moved and splitting all the others, or how to carry out the movement and bring them together with ions that are already at the target location, have sufficient solutions that have already been researched that they are irrelevant to this article. However, this endeavors to provide a large ion trap, which is understood to mean long distances along which ions can be trapped.
Eine große Ionenfalle wird allerdings eine große Kapazität haben, was zu unrealisierbar großen Strömen und Leistungen führen würde, wenn man diese aus einer einzelnen Quelle speisen würde. Eine Speisung aus mehreren der bekannten Resonanztransformatoren ist hingegen schwer vorstellbar, weil deren Fertigungstoleranzen es in der Regel nicht erlauben würden, sie synchron, das heißt also bei derselben Frequenz und noch dazu phasenrichtig, miteinander zu betreiben.A large ion trap, however, will have a large capacity, resulting in unrealizable large ones Currents and performances would lead if they were fed from a single source. A supply from several of the known resonance transformers, on the other hand, is difficult to imagine because their manufacturing tolerances would generally not allow them to be operated synchronously, that is to say at the same frequency and with the correct phase.
Dieses Problem hat eine publizierte aber bislang unrealisierte Lösung im wissenschaftlichen Fachartikel
Die vorbekannten Lösungen sind allesamt sehr begrenzt tauglich zur Massenfertigung. Ferner wird eine maximale Entfernung zur Wand der Vakuumapparatur durch die für jeden derartigen Antrieb nötigen Vakuumdurchführungen beschränkt. Außerdem sind die Ausmaße der bisher vorgeschlagenen Antriebe zu groß, um einzelne Elektroden einer linearen Ionenfalle mit individuell steuerbarer Wechselspannung zu versorgen.The previously known solutions are all of limited suitability for mass production. Furthermore, a maximum distance to the wall of the vacuum apparatus is limited by the vacuum bushings necessary for each drive of this type. In addition, the dimensions of the drives proposed so far are too large to supply individual electrodes of a linear ion trap with individually controllable AC voltage.
Vor diesem Hintergrund war es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Ionenfalle, sowie zugehörig ein verbessertes Verfahren zum Kalibrieren eines Wechselspannungsfeldes einer Ionenfalle sowie Verwendungen zum Antrieb einer Ionenfalle bereitzustellen.Against this background, it was an object of the present invention to provide an improved ion trap and, associated with it, an improved method for calibrating an AC voltage field of an ion trap and uses for driving an ion trap.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß in einem ersten Aspekt durch eine Ionenfalle mit wenigstens zwei Elektroden, die dazu ausgebildet sind, ein elektrisches Feld zu erzeugen, das zumindest in einem Bereich ein attraktives ponderomotives Potential umfasst, einem elektrischen Resonator und einer Vakuumkammer gelöst. Der elektrische Resonator ist dazu eingerichtet, Elektroden der Ionenfalle mit einer Wechselspannung zu versorgen, und der elektrische Resonator weist einen Schwingkreis auf. Der Schwingkreis ist innerhalb der Vakuumkammer angeordnet. Der Resonator weist wenigstens ein Element auf, ausgewählt aus der Liste bestehend aus: ein Quarzkristall, ein keramischer Filter, ein piezoelektrisches Bauelement und ein Oberflächenwellenfilter.According to the invention, the object is achieved in a first aspect by an ion trap with at least two electrodes which are designed to generate an electric field, which comprises an attractive ponderomotive potential at least in one area, an electrical resonator and a vacuum chamber. The electrical resonator is set up to supply electrodes of the ion trap with an alternating voltage, and the electrical resonator has an oscillating circuit. The resonant circuit is arranged inside the vacuum chamber. The resonator has at least one element selected from the list consisting of: a quartz crystal, a ceramic filter, a piezoelectric component and a surface acoustic wave filter.
Dadurch, dass der Schwingkreis innerhalb der Vakuumkammer angeordnet ist, entfällt die Notwendigkeit, die zum Betrieb der Elektroden erzeugte Wechselspannung in die Vakuumkammer hinein mittels einer sogenannten Vakuumdurchführung einzuführen. Die Vakuumdurchführung, die typischerweise Koaxialkabel mit signifikanter Kapazität umfassen, ist ein Hauptfaktor der parasitären Kapazität, der entsprechend erfindungsgemäß vorteilhaft wegfällt. Die parasitäre Kapazität der Vakuumdurchführung erzeugt eine hohe Scheinleistung, die wiederum hohe Ströme und dicke Kabel zur Folge hat. Dadurch, dass der Schwingkreis innerhalb der Vakuumkammer angeordnet ist, ist demnach der Gesamtenergiebedarf der Ionenfalle geringer.Because the resonant circuit is arranged within the vacuum chamber, there is no need to introduce the alternating voltage generated for operating the electrodes into the vacuum chamber by means of a so-called vacuum bushing. The vacuum feedthrough, which typically comprise coaxial cables with significant capacitance, is a main factor of the parasitic capacitance, which according to the invention is advantageously eliminated. The parasitic capacitance of the vacuum bushing generates a high apparent power, which in turn results in high currents and thick cables. Because the resonant circuit is arranged within the vacuum chamber, the total energy requirement of the ion trap is therefore lower.
Der innerhalb der Vakuumkammer angeordnete Schwingkreis hat Vorteile, was die Länge von Leitungen betrifft, aber auch darüber hinaus dadurch, dass dünnere Kabel möglich sind, ist eine weitere Miniaturisierung der Ionenfalle möglich. Insbesondere ist möglich, dass Schwingkreis und elektronische Ansteuerung der eigentlichen Ionenfalle in der gleichen Größenordnung wie die Elektroden sind. Demnach ist eine nahezu unbeschränkte Aneinanderreihung von Elektroden und zugehöriger Ansteuerung im Sinne von Modulen möglich.The resonant circuit arranged within the vacuum chamber has advantages in terms of the length of lines, but furthermore, because thinner cables are possible, a further miniaturization of the ion trap is possible. In particular, it is possible for the resonant circuit and electronic control of the actual ion trap to be of the same order of magnitude as the electrodes. Accordingly, an almost unlimited series of electrodes and associated control in the sense of modules is possible.
In diesem Zusammenhang wird mit Ionenfalle die gesamte Vorrichtung, die gebildet ist aus der eigentlichen Ionenfalle, innerhalb der die Ionen gehalten werden können, und deren Ansteuerung, Wechselspannungsversorgung einschließlich Resonator und Treiber, verstanden.In this context, ion trap is understood to mean the entire device, which is formed from the actual ion trap within which the ions can be held, and their control, AC voltage supply including resonator and driver.
In einer Ausführungsform ist die Ionenfalle dazu ausgebildet, Ionen einer effektiven Temperatur mit höchstens 1 K innerhalb der Vakuumkammer zu behalten.In one embodiment, the ion trap is designed to keep ions of an effective temperature with at most 1 K within the vacuum chamber.
Vorzugsweise werden geladene, insbesondere einfach geladene, wasserstoffähnliche Ionen innerhalb der Vakuumkammer behalten. Besonders bevorzugt sind einfach geladene Calciumionen.Charged, in particular simply charged, hydrogen-like ions are preferably kept within the vacuum chamber. Simply charged calcium ions are particularly preferred.
Mit effektiver Temperatur wird die Temperatur bezeichnet, bei der ein physikalischer Freiheitsgrad im thermischen Gleichgewicht eine mittlere Energie hat, die der kinetischen und potentiellen Energie eines Bewegungsfreiheitsgrades eines oder mehrerer Ionen in der Ionenfalle entspricht. Da diese sich für die verschiedenen Bewegungsfreiheitsgrade unterscheiden kann, wird zwecks Eindeutigkeit als effektive Temperatur diejenige gewählt, die den geringsten Wert annimmt. Dies entspricht bei technisch geschicktem Aufbau üblicherweise, aber nicht notwendigerweise, dem Bewegungsfreiheitsgrad, dessen Restbewegung die Funktion des mittels der Ionenfalle realisierten Geräts am kritischsten einschränkt. Das Erreichen einer effektiven Temperatur von unter oder auch erheblich unter 1 K wird in der bevorzugten Ausführung mit laseroptischen Mitteln erzielt, beispielsweise und ohne darauf beschränkt zu sein mittels dem in der Patentschrift
Als eine Folge der erfindungsgemäßen Anordnung ist es möglich, Resonatoren mit wesentlich geringerer Leistungsaufnahme vorzusehen, als dies bei herkömmlichen Ionenfallen der Fall war. Für den beispielhaften Fall eines Quarzkristalles ist eine Leistungsaufnahme von deutlich weniger als 30 W, vorzugsweise im Bereich von weniger als 1 W und besonders bevorzugt sogar von weniger als 1 mW, zu erwarten, wobei eine entsprechend niedrige Spezifikation zum Garantieren der Genauigkeit ausreicht.As a consequence of the arrangement according to the invention, it is possible to provide resonators with a significantly lower power consumption than was the case with conventional ion traps. For the exemplary case of a quartz crystal, a power consumption of significantly less than 30 W, preferably in the range of less than 1 W and particularly preferably even less than 1 mW, can be expected, a correspondingly low specification being sufficient to guarantee the accuracy.
In einer Ausführungsform ist der elektrische Resonator dazu eingerichtet, Elektroden der Ionenfalle mit einer Wechselspannung in einem Frequenzbereich zwischen 1 MHz und 1 GHz zu versorgen. In one embodiment, the electrical resonator is set up to supply electrodes of the ion trap with an alternating voltage in a frequency range between 1 MHz and 1 GHz.
In einer Ausführungsform ist die Vakuumkammer dazu eingerichtet, ein Ultrahochvakuum in ihrem Inneren aufrechtzuerhalten, insbesondere einen Druck von zwischen 10-6 mbar und 10-12 mbar und besonders bevorzugt einen Druck von höchstens 10-10 mbar aufrechtzuerhalten.In one embodiment, the vacuum chamber is set up to maintain an ultra-high vacuum in its interior, in particular to maintain a pressure of between 10 -6 mbar and 10 -12 mbar and particularly preferably a pressure of at most 10 -10 mbar.
In einer Ausführungsform weist die Ionenfalle einen Treiber auf, der dazu eingerichtet ist, den elektrischen Resonator anzutreiben und als Hochimpedanz- und/oder Hochspannungstreiber ausgebildet ist.In one embodiment, the ion trap has a driver which is set up to drive the electrical resonator and is designed as a high-impedance and / or high-voltage driver.
Als Treiber werden hier sämtliche geeignete elektrische Schaltkreise oder elektronische Komponenten verstanden, die in der Lage sind, den elektrischen Resonator anzutreiben. Die Ausbildung als Hochimpedanz- und/oder Hochspannungstreiber sorgt dafür, dass die Störung des Ionenfallenantriebs gering ist und eine Anpassung der Leistungen des Treibers und des Resonators erfolgt. Vorzugsweise ist der Treiber innerhalb der Vakuumkammer angeordnet.All suitable electrical circuits or electronic components that are capable of driving the electrical resonator are understood here as drivers. The training as a high-impedance and / or high-voltage driver ensures that the interference of the ion trap drive is low and that the performance of the driver and the resonator is adapted. The driver is preferably arranged within the vacuum chamber.
In einer Ausführungsform weist der elektrische Resonator ein frequenzverstellendes Element auf. Das frequenzverstellende Element kann sämtliche fachmännisch bekannten Ausgestaltungen annehmen und dient insbesondere der Kompensation von Alterungserscheinungen, da der elektrische Resonator typischerweise seine Resonanzfrequenz im Laufe der Zeit ändert.In one embodiment, the electrical resonator has a frequency-adjusting element. The frequency-adjusting element can take on all designs known to those skilled in the art and is used in particular to compensate for signs of aging, since the electrical resonator typically changes its resonance frequency over time.
In einer Ausführungsform weist die Ionenfalle ferner einen Regelkreis zur Amplitudenstabilisierung der Spannung über Elektroden der Ionenfalle auf, wobei der Regelkreis ein spannungsempfindliches Element umfasst, das innerhalb der Vakuumkammer angeordnet ist.In one embodiment, the ion trap furthermore has a control circuit for stabilizing the amplitude of the voltage across electrodes of the ion trap, the control circuit comprising a voltage-sensitive element which is arranged within the vacuum chamber.
In einer Ausführungsform wird die Antriebsfrequenz der Ionenfalle innerhalb der Vakuumkammer erzeugt.In one embodiment, the drive frequency of the ion trap is generated within the vacuum chamber.
Nachdem der Regelkreis ein spannungsempfindliches Element umfasst, das innerhalb der Vakuumkammer angeordnet ist, beziehungsweise die Antriebsfrequenz der Ionenfalle innerhalb der Vakuumkammer erzeugt wird, werden die gleichen Vorteile, nämlich bezüglich der Vakuumdurchführung und Leitungsdicke, erreicht, wie sie bei den weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsformen erreicht werden. Die stabilisierte Amplitude der Spannung über die Elektroden, beziehungsweise auch die Erzeugung der Antriebsfrequenz, hat zur Folge, dass das ponderomotive Potential innerhalb der Ionenfalle besonders präzise und stabil ausgebildet ist, sodass die Ionen innerhalb der Ionenfalle besonders zuverlässig gehalten werden können.After the control circuit comprises a voltage-sensitive element which is arranged within the vacuum chamber, or the drive frequency of the ion trap is generated within the vacuum chamber, the same advantages, namely with regard to the vacuum implementation and line thickness, are achieved as are achieved in the further embodiments according to the invention. The stabilized amplitude of the voltage across the electrodes, or also the generation of the drive frequency, has the consequence that the ponderomotive potential within the ion trap is designed to be particularly precise and stable, so that the ions within the ion trap can be held particularly reliably.
In einer Ausführungsform ist der Resonator dazu eingerichtet, die Elektroden der Ionenfalle mit identischer Frequenz und gleicher oder entgegengesetzter Phase, jedoch mit voneinander unterschiedlichen Amplituden zu beaufschlagen.In one embodiment, the resonator is set up to apply the electrodes of the ion trap with an identical frequency and the same or opposite phase, but with different amplitudes.
Dadurch, dass die Amplitude der verschiedenen Elektroden der Ionenfalle unterschiedlich beaufschlagt wird, ist eine Anpassung des entstehenden ponderomotiven Potentials möglich, das beispielsweise der Geometrie der Anordnung Rechnung trägt. Die Amplitudenanpassung ermöglicht demnach, eine elektronische Nachjustierung des elektrischen Potentials durchzuführen. In dieser Ausführungsform ist es besonders einfach dadurch möglich, dass die Amplituden, die durch den Resonator an die Elektroden angelegt werden, unterschiedlich sind.Because the amplitude of the different electrodes of the ion trap is applied differently, it is possible to adapt the resulting ponderomotive potential, which takes account of the geometry of the arrangement, for example. The amplitude adjustment accordingly makes it possible to carry out an electronic readjustment of the electrical potential. In this embodiment, it is possible in a particularly simple manner that the amplitudes which are applied to the electrodes by the resonator are different.
In einer Ausführungsform ist der Resonator dazu eingerichtet, eine geometrische Fertigungsabweichung der Elektroden durch eine Wahl der Amplituden zu kompensieren.In one embodiment, the resonator is set up to compensate for a geometric manufacturing deviation of the electrodes by a choice of the amplitudes.
Entsprechend wird erfindungsgemäß gemäß dieser Ausführungsform eine größere Toleranz gegenüber Fertigungsabweichungen dadurch ermöglicht, dass diese durch geeignete Wahl der Amplituden kompensiert wird. Entsprechend kann die Fertigung der Ionenfalle und insbesondere der Elektroden vergünstigt werden, da diese höhere Fertigungsabweichungen erlauben.Accordingly, according to the present invention, according to this embodiment, a greater tolerance to manufacturing deviations is made possible by compensating for them by a suitable choice of the amplitudes. Accordingly, the manufacture of the ion trap and in particular of the electrodes can be reduced, since these allow higher manufacturing deviations.
In einer Ausführungsform ist die Ionenfalle als lineare Ionenfalle ausgebildet, derart, dass ein Potential entlang einer Längsachse über eine Linie ein Minimum annimmt.In one embodiment, the ion trap is designed as a linear ion trap in such a way that a potential along a longitudinal axis takes a minimum over a line.
Die gemäß dieser Ausführungsform gebildete lineare Ionenfalle ermöglicht, dass sich die Ionen entlang der Längsachse, entlang der das Potential über eine Linie ein Minimum annimmt, bewegen können. Damit ist eine lineare Bewegung der Ionen in der Ionenfalle entlang der Längsachse möglich. Unter dem Minimum, das das Potential entlang einer Linie in der Längsachse annimmt wird verstanden, dass das Potential bezüglich aller anderen Richtungen an den Punkten der Linie ansteigt. Es muss somit nicht unbedingt ein einheitliches minimales Potential entlang der Linie sein, solange der Potentialverlauf entlang der Linie niedriger als bezüglich einer anderen Richtung ist.The linear ion trap formed in accordance with this embodiment enables the ions to move along the longitudinal axis along which the potential takes a minimum over a line. This enables a linear movement of the ions in the ion trap along the longitudinal axis. The minimum that the potential assumes along a line in the longitudinal axis is understood to mean that the potential increases with respect to all other directions at the points of the line. It does not necessarily have to be a uniform minimum potential along the line, as long as the potential curve along the line is lower than with respect to another direction.
In einer Ausführungsform weist die Ionenfalle ferner Gleichstromelektroden auf, wobei die Gleichstromelektroden dazu eingerichtet sind, zusätzlich zu einem bestehenden, ponderomotivem Potential, das entlang der Längsachse attraktiv wirkt, ein in dieser Kombination auf einen Punkt attraktiv wirkendes Potential zu erzeugen, sowie insbesondere, mittels geeigneter Ansteuerung der Gleichstromelektroden, eine Verschiebung des Punktes entlang der Längsachse zu bewirken.In one embodiment, the ion trap also has direct current electrodes, the direct current electrodes being configured to additionally an existing, ponderomotive potential, which has an attractive effect along the longitudinal axis, to generate a potential which in this combination has an attractive effect on a point, and in particular, by means of suitable control of the direct current electrodes, to cause a displacement of the point along the longitudinal axis.
Dadurch, dass die Verschiebung des Punktes, auf den das attraktiv wirkende Potential erzeugt wird, einstellbar ist, ist eine Bewegung der Ionen in der Ionenfalle definiert dadurch möglich, dass die Gleichstromelektroden passend angesteuert werden. Anders ausgedrückt wird der Punkt, zu dem das Potential anziehend wirkt, durch die Ansteuerung der Gleichstromelektroden verschoben, was besonders für den Einsatz in Quantencomputern besonders vorteilhaft ist.Because the displacement of the point to which the attractively acting potential is generated can be adjusted, a movement of the ions in the ion trap is possible in a defined manner in that the direct current electrodes are controlled appropriately. In other words, the point at which the potential is attractive is shifted by the control of the direct current electrodes, which is particularly advantageous for use in quantum computers.
In einer Ausführungsform weist die Ionenfalle zwei sich kreuzende lineare Achsen, die Längsachse und eine Querachse, auf, entlang derer das Potential über eine Linie ein Minimum annimmt und die sich an einem Kreuzungspunkt schneiden.In one embodiment, the ion trap has two intersecting linear axes, the longitudinal axis and a transverse axis, along which the potential assumes a minimum over a line and which intersect at an intersection point.
Durch die Längsachse und die Querachse, die sich an einem Kreuzungspunkt schneiden, ist es nicht nur möglich, die Ionen entlang der Längsachse zu bewegen, sondern auch eine bewusste Richtungsentscheidung an dem Kreuzungspunkt herbeizuführen. Dies erfolgt über geeignete Ansteuerung der Elektroden, die das Potential entsprechend adaptieren. Durch entsprechende Anordnung und Steuerung der Elektroden kann das Verhalten eines Quadrupols geschaltet werden, der geometrisch an einem Kreuzungspunkt unmöglich ist. Gemäß dieser Ausführungsform wird demnach eine näherungsweise Umsetzung des idealen Quadrupols umgesetzt, die das Anpassen des Gesamtpotentials je nach Aufenthaltsort ermöglicht. Die Kreuzung der Längsachse und der Querachse kann vorzugsweise im rechten Winkel, das heißt mit etwa 90°, erfolgen, wobei auch davon abweichende Winkel zwischen Längsachse und Querachse vorstellbar sind.Due to the longitudinal axis and the transverse axis, which intersect at a crossing point, it is not only possible to move the ions along the longitudinal axis, but also to make a conscious directional decision at the crossing point. This is done by suitable control of the electrodes, which adapt the potential accordingly. By arranging and controlling the electrodes accordingly, the behavior of a quadrupole can be switched, which is geometrically impossible at a crossing point. According to this embodiment, an approximate implementation of the ideal quadrupole is accordingly implemented, which enables the total potential to be adjusted depending on the location. The intersection of the longitudinal axis and the transverse axis can preferably take place at a right angle, that is to say at approximately 90 °, wherein deviating angles between the longitudinal axis and transverse axis are also conceivable.
In einer Ausführungsform ist wenigstens ein Teil der Elektroden als Linearelektroden ausgebildet, in diesem Zusammenhang wird als eine Linearelektrode vorzugsweise als Elektroden verstanden, bei denen eine Elektrodenlänge signifikant, das heißt um beispielsweise einen Faktor 5 und mehr, größer als die Elektrodenbreite entlang der Längs- oder Querachse ausgeführt ist.In one embodiment, at least some of the electrodes are designed as linear electrodes; in this context, a linear electrode is preferably understood as electrodes in which an electrode length is significantly larger, that is to say, for example, by a factor of 5 and more, than the electrode width along the longitudinal or Transverse axis is executed.
In einer Ausführungsform sind die Elektroden innerhalb von mindestens zwei im Wesentlichen parallelen Schichten angeordnet, wobei der für das Einfangen der Ionen nutzbare Bereich in einem Raum zwischen den jeweils äußersten der mindestens zwei Schichten ausgebildet ist.In one embodiment, the electrodes are arranged within at least two essentially parallel layers, the region that can be used for capturing the ions being formed in a space between the outermost of the at least two layers.
Unter im Wesentlichen parallelen Schichten wird hierbei verstanden, dass die Ebenen, die durch die Schichten beschrieben werden, voneinander um einen Winkel von vorzugsweise weniger als 10°, besonders bevorzugt weniger als 5° und insbesondere höchstens 1° abweichen. In dem Fall von zwei parallelen Schichten ist der für das Einfangen der Ionen nutzbare Bereich zwischen den beiden parallelen Schichten ausgebildet. Für den Fall, dass mehr als zwei parallele Schichten angeordnet sind, ist der Raum entsprechend in Abhängigkeit der Anordnung der weiteren Schichten zwischen den äußersten Schichten ausgebildet.Essentially parallel layers are understood here to mean that the planes which are described by the layers differ from one another by an angle of preferably less than 10 °, particularly preferably less than 5 ° and in particular at most 1 °. In the case of two parallel layers, the area that can be used for capturing the ions is formed between the two parallel layers. In the event that more than two parallel layers are arranged, the space is correspondingly formed depending on the arrangement of the further layers between the outermost layers.
In einer Ausführungsform sind diagonal gegenüberliegende Bereiche der äußersten Schichten als Gleichpole und direkt gegenüberliegende oder benachbarte Bereiche als Gegenpole der Wechselspannungsversorgung des Resonators ausgebildet, so dass ein Quadrupol ausgebildet wird.In one embodiment, diagonally opposite regions of the outermost layers are formed as common poles and directly opposite or adjacent regions as opposite poles of the AC voltage supply of the resonator, so that a quadrupole is formed.
Dadurch, dass ein Quadrupolwechselfeld ausgebildet wird, wird eine Umkehrung des Vorzeichens der Spannung zu einem Umpolen des elektrischen Potentials führen, so dass das zugehörige ponderomotive Potential attraktiv auf einen Punkt zwischen den gegenüberliegenden Schichten auf die Ionen wirkt.Because a quadrupole alternating field is formed, a reversal of the sign of the voltage will lead to a reversal of the polarity of the electrical potential, so that the associated ponderomotive potential has an attractive effect on the ions between the opposing layers.
In einer Ausführungsform weisen die Elektroden eine fingerartige Struktur auf, wobei jeder der Finger durch je einen Resonator unabhängig ansteuerbar ist. Auch die gleichzeitige Ansteuerung einer Gruppe von nicht notwendigerweise benachbarten Fingerelektroden durch denselben Resonator ist möglich.In one embodiment, the electrodes have a finger-like structure, each of the fingers being independently controllable by a resonator. The simultaneous activation of a group of not necessarily adjacent finger electrodes by the same resonator is also possible.
In einer Ausführungsform umfasst wenigstens eine der Gruppen der Finger gleichmäßig beabstandete Finger, wobei benachbarte Finger in jeweils unterschiedlichen Gruppen enthalten sind.In one embodiment, at least one of the groups of fingers comprises fingers that are evenly spaced, adjacent fingers being contained in different groups.
In einer Ausführungsform ist eine erste Anzahl Resonatoren vorgesehen, wobei jeder der Resonatoren vorzugsweise eine Gruppe mehrere der Finger ansteuern kann, wobei die Gruppe der Finger, die von einem bestimmten der Resonatoren ansteuerbar sind, um jeweils die erste Anzahl an Fingern beabstandet sind, so dass wenigstens eine Anzahl von Fingern, die der ersten Anzahl minus eins entspricht, zwischen je zwei Fingern, die von dem gleichen Resonator angesteuert werden, angeordnet ist.In one embodiment, a first number of resonators is provided, each of the resonators preferably being able to control a group of a plurality of the fingers, the group of fingers which can be controlled by a specific one of the resonators being spaced apart by the first number of fingers, so that at least a number of fingers, which corresponds to the first number minus one, is arranged between every two fingers which are controlled by the same resonator.
Die erste Anzahl der Resonatoren ist vorzugsweise derart gewählt, dass ein Ion jeweils nur überwiegend den Einfluss des Feldes eines Fingers, der durch einen bestimmten Resonator angesteuert wird, spürt, das heißt, dass ein hinreichender Abstand des Ions zu allen weiteren Fingern besteht. Dies rührt daher, dass Ionen überwiegend Felder der sich in der näheren Umgebung befindlichen Finger spüren, so dass eine parallele Ansteuerung weiter entfernter Resonatoren keine Auswirkung auf diese Ionen hat. Vorzugsweise dient diese gruppierte Anordnung der Resonatoren der Reduktion der Bauteile und damit der Komplexität der Ionenfalle.The first number of resonators is preferably selected such that an ion only feels the influence of the field of a finger, which is controlled by a specific resonator, predominantly, that is to say that there is a sufficient distance between the ion and all other fingers. This stems from the fact that ions are predominantly located in the fields Feel the fingers in the vicinity so that a parallel control of more distant resonators has no effect on these ions. This grouped arrangement of the resonators preferably serves to reduce the components and thus the complexity of the ion trap.
In einer Ausführungsform ist ein Zwischenraum zwischen Fingern der fingerartigen Struktur ausgebildet. Der Zwischenraum kann beispielsweise durch Fräsen ausgebildet sein, allerdings sind auch andere Herstellungsverfahren denkbar. Hierbei kann ein Verbindungssteg zwischen zwei gegenüberliegenden Fingern teilweise oder sogar vollständig weggelassen werden, sodass jede der Schichten, der die Elektroden darstellt, bzw. enthält, in zwei Stücke, bzw. in eine Anzahl von Stücken, die der Anzahl der Finger entspricht, zerfallen würde. In one embodiment, an intermediate space is formed between fingers of the finger-like structure. The intermediate space can be formed, for example, by milling, but other manufacturing methods are also conceivable. Here, a connecting web between two opposing fingers can be partially or even completely omitted, so that each of the layers that represents or contains the electrodes would disintegrate into two pieces or into a number of pieces that corresponds to the number of fingers ,
In einer Ausführungsform ist der Zwischenraum wenigstens teilweise, insbesondere gänzlich, metallisiert. Dadurch kann der die Ionenfallenfunktion potentiell beeinträchtigende Einfluss von elektrischen Ladungen, die sich typischerweise auf Isolatoren befinden, minimiert werden. Isolatoren können beispielsweise auf den erfindungsgemäß als Zwischenraum ausgebildeten Flächen und unterhalb der metallisierten Flächen ausgebildet sein.In one embodiment, the intermediate space is at least partially, in particular entirely, metallized. This can minimize the influence of electrical charges, which are typically present on insulators, which may have a negative impact on the ion trap function. Insulators can, for example, be formed on the surfaces designed as an intermediate space according to the invention and below the metallized surfaces.
Insbesondere ermöglicht eine individuelle Ansteuerung der Elektrodenfinger auch mit Wechselspannung neue Möglichkeiten bei der Auslegung und Anpassung des in der Ionenfalle wirkenden Potentials.In particular, individual control of the electrode fingers, even with AC voltage, opens up new possibilities in the design and adaptation of the potential acting in the ion trap.
In einer Ausführungsform ist die Ionenfalle modular aufgebaut, insbesondere sind mehrere Elektroden und mehrere Resonatoren modular aneinander montierbar. Damit ist die Ionenfalle nahezu beliebig skalierbar und eignet sich so besonders für den Einsatz in Quantencomputern. Besonders vorteilhaft ist hier, dass die erfindungsgemäß mögliche Miniaturisierung des Resonators, der ebenfalls in der Vakuumkammer angeordnet ist, eine Reduktion des Platzbedarfes zur Folge hat, der sich dann näherungsweise in der Größenordnung der Elektroden bewegt.In one embodiment, the ion trap has a modular structure, in particular a plurality of electrodes and a plurality of resonators can be assembled modularly. This means that the ion trap can be scaled to almost any size and is particularly suitable for use in quantum computers. It is particularly advantageous here that the miniaturization of the resonator which is also possible according to the invention and which is likewise arranged in the vacuum chamber results in a reduction in the space requirement, which then moves approximately in the order of magnitude of the electrodes.
In einer Ausführungsform sind benachbarte Module von Elektroden in der gleichen Ebene und/oder mit um etwa 90° gegeneinander gedrehten Ebenen angeordnet, wobei vorzugsweise eine Längsachse bzw. eine Querachse des einen Moduls der Längsachse oder der Querachse des benachbarten Moduls entspricht. Mit etwa 90° ist im Rahmen dieser Offenbarung der Bereich von +/- 20° um den rechten Winkel von 90° bezeichnet, vorzugsweise der Bereich von +/- 10° um 90° und besonders bevorzugt der Bereich von +/- 5° um 90°.In one embodiment, adjacent modules of electrodes are arranged in the same plane and / or with planes rotated relative to one another by approximately 90 °, a longitudinal axis or a transverse axis of one module preferably corresponding to the longitudinal axis or the transverse axis of the adjacent module. Within the scope of this disclosure, about 90 ° denotes the range of +/- 20 ° by the right angle of 90 °, preferably the range of +/- 10 ° by 90 ° and particularly preferably the range of +/- 5 ° 90 °.
In einer Ausführungsform sind die benachbarten Module derart ausgebildet, dass Ionen entlang der Längsachse bzw. der Querachse zwischen benachbarten Modulen bewegbar sind.In one embodiment, the adjacent modules are designed in such a way that ions can be moved between adjacent modules along the longitudinal axis or the transverse axis.
Die Verdrehung der Ebenen gegeneinander, beispielsweise um etwa 90° verdreht, ermöglicht, dass ein modularer Aufbau der Ionenfalle eine Stapelung der Elektroden in drei Dimensionen und damit nicht lediglich in einer Ebene ermöglicht. Damit ist ein besonders effizienter Aufbau der Ionenfalle möglich.The rotation of the planes relative to one another, for example rotated by approximately 90 °, enables a modular structure of the ion trap to allow the electrodes to be stacked in three dimensions and thus not only in one plane. This enables a particularly efficient construction of the ion trap.
In einer Ausführungsform sind die Module somit in drei Dimensionen stapelbar anordenbar.In one embodiment, the modules can thus be stacked in three dimensions.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Kalibrieren eines Wechselspannungsfeldes einer Ionenfalle gemäß dem ersten Aspekt oder einer als Ausführungsform beschriebenen Ausgestaltung der Ionenfalle gemäß dem ersten Aspekt gelöst. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf: i) Einspeisen einer Wechselspannung zum Antrieb der Ionenfalle, ii) Einspeisen einer zusätzlichen Wechselspannung, die derart gewählt ist, dass sie zu einer Vibrationsfrequenz eines Ions in der Ionenfalle passt, iii) Bestimmen einer erhöhten Heizrate des Ions in der Ionenfalle aufgrund der zusätzlich eingespeisten Wechselspannung.According to a further aspect, the object is achieved according to the invention by a method for calibrating an alternating voltage field of an ion trap according to the first aspect or a configuration of the ion trap described as an embodiment according to the first aspect. The method has the following steps: i) feeding in an AC voltage for driving the ion trap, ii) feeding in an additional AC voltage which is selected such that it matches a vibration frequency of an ion in the ion trap, iii) determining an increased heating rate of the ion in the ion trap due to the additional AC voltage fed in.
Die Heizrate eines Ions, die auch als Aufheizrate bezeichnet wird, ist, bezogen auf eine quantisierte Bewegungsachse, die Anzahl der Bewegungsquanten, die es pro Zeiteinheit gewinnt. Beispielsweise ist solch eine Zunahme im Mittel normalerweise aufgrund einer Rauschleistung des elektrischen Feldes am Ionenaufenthaltsort bei dessen Bewegungsfrequenz gegeben, auch wenn es regelmäßig ein technisches Ziel ist, diese Aufheizrate gering zu halten.The heating rate of an ion, which is also referred to as the heating rate, is the number of motion quanta it gains per unit of time in relation to a quantized motion axis. For example, such an increase is usually given on the basis of a noise power of the electric field at the ion location at its frequency of movement, even if it is regularly a technical goal to keep this heating rate low.
Ein Ion befindet sich in einer Ionenfalle in einem näherungsweise harmonischen Potential, das nur quantisierte Änderungen des Bewegungszustandes erlaubt. Gegebenenfalls sind, wenn mehrere Ionen in dem Potential der Ionenfalle sind, deren Bewegungen miteinander gekoppelt, was das Grundprinzip der Quantencomputer bedingt, nämlich, dass ein Informationsaustausch zwischen diesen miteinander gekoppelten Ionen möglich ist. In Abhängigkeit von der Temperatur der Ionen in der Ionenfalle ist beispielsweise eine Dopplerkühlung oder eine Seitenbandkühlung bekannt. Verfahren zur Bestimmung der effektiven Temperatur der Ionen in der Ionenfalle sowie eine ausführliche Diskussion der Heizrate und der Messung der Heizrate der Ionen finden sich beispielsweise in der Dissertation von Thomas W. Deuschle mit dem Titel „Kalte Ionenkristalle in einer segmentierten Paul-Falle“ aus dem Jahr 2007.An ion is in an ion trap in an approximately harmonic potential that only allows quantized changes in the state of motion. If necessary, if a plurality of ions are in the potential of the ion trap, their movements are coupled to one another, which requires the basic principle of the quantum computer, namely that an information exchange between these coupled ions is possible. Depending on the temperature of the ions in the ion trap, for example, Doppler cooling or side band cooling is known. Methods for determining the effective temperature of the ions in the ion trap as well as a detailed discussion of the heating rate and the measurement of the heating rate of the ions can be found, for example, in the dissertation by Thomas W. Deuschle with the title "Cold ion crystals in a segmented Paul trap" from the Year 2007.
In einer Ausführungsform weist das Verfahren weiter ein Wiederholen der Schritte des Einspeisens der Wechselspannung, des Einspeisens der zusätzlichen Wechselspannung und des Bestimmens der erhöhten Heizrate unter Änderung eines Parameters, insbesondere einer Ansteuerungsamplitude einer Wechselstromelektrode, auf. In one embodiment, the method further comprises repeating the steps of feeding in the AC voltage, feeding in the additional AC voltage and determining the increased heating rate while changing a parameter, in particular a control amplitude of an AC electrode.
In einer Ausführungsform weist das Verfahren weiter den folgenden Schritt auf: Berechnen eines genäherten Gradienten der Heizrate bezüglich der Änderung des Parameters mittels der bestimmten Heizraten.In one embodiment, the method further has the following step: calculating an approximate gradient of the heating rate with respect to the change in the parameter by means of the determined heating rates.
In einer Ausführungsform weist das Verfahren weiter ein Wiederholen der Schritte des Einspeisens der Wechselspannung, des Einspeisens der zusätzlichen Wechselspannung, des Bestimmens der erhöhten Heizrate und des Berechnens des genäherten Gradienten der Heizrate unter iterativer Änderung des Parameters zum Auffinden eines Zielwertes des Parameters auf, wobei insbesondere der berechnete Gradient der Heizrate minimiert ist.In one embodiment, the method further comprises repeating the steps of feeding in the AC voltage, feeding in the additional AC voltage, determining the increased heating rate and calculating the approximate gradient of the heating rate with iterative change of the parameter to find a target value of the parameter, in particular the calculated gradient of the heating rate is minimized.
Erfindungsgemäß wird durch das Verfahren demnach das Wechselspannungsfeld einer Ionenfalle derart kalibriert, dass ein Gradient der Heizrate, der bei einer Parametervariation auftritt, minimiert ist. Damit ist der Zielwert des Parameters, der beispielsweise die Ansteuerungsamplitude sein kann, erreicht. Das erfindungsgemäße Verfahren kann vorzugsweise in regelmäßigen Abständen durchgeführt werden, um sicherzustellen, dass die Ionenfalle zu jeder Zeit optimal kalibriert ist und die Heizrate, die insbesondere eine Fehlerquelle für die Bestimmung der Zustände der Ionen darstellt, minimal ist. Anders ausgedrückt, an dem Zielwert des Parameters ändert sich die Heizrate bei einer Änderung des Parameters besonders wenig.According to the invention, the method accordingly calibrates the AC field of an ion trap in such a way that a gradient in the heating rate that occurs during a parameter variation is minimized. The target value of the parameter, which can be the control amplitude, for example, has thus been reached. The method according to the invention can preferably be carried out at regular intervals to ensure that the ion trap is optimally calibrated at all times and that the heating rate, which in particular represents a source of error for determining the states of the ions, is minimal. In other words, the heating rate changes very little at the target value of the parameter when the parameter is changed.
Geeignete Methoden stellen beispielsweise Minimierungsalgorithmen, wie die Methode des steilsten Gradienten („Gradient Descent Method“) oder der Methode konjugierter Gradienten („Conjugate Gradient Method“) unter geeignet gewählten Randbedingungen oder mit Zusatzkosten („penalties“) für die Veränderung von Amplituden von entfernten bzw. am Ionenort wenig bewirkenden Elektroden, wobei dann, wenn der Gradient hinreichend klein ist, ein hinreichend guter Parameter gefunden wird.Suitable methods are, for example, minimization algorithms, such as the steepest gradient method (“gradient descent method”) or the conjugate gradient method (“conjugate gradient method”) under suitably chosen boundary conditions or with additional costs (“penalties”) for changing amplitudes from distant ones or electrodes having little effect at the ion site, a sufficiently good parameter being found if the gradient is sufficiently small.
Auch andere Minimierungsverfahren, insbesondere solche, die gradientenfrei sind und auch ohne näherungsweise Bestimmung von Gradienten funktionieren sowie solche, die zusätzlich die Bestimmung einer nächsthöheren Ableitung, das heißt der Hesse-Matrix, erfordern, sind vorteilhaft einsetzbar.Other minimization methods, in particular those that are gradient-free and also function without the approximate determination of gradients, and those that additionally require the determination of a next higher derivative, that is to say the Hesse matrix, can be used advantageously.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch eine Verwendung eines Quarzkristalls, eines keramischen Filters, eines piezoelektrischen Bauelementes und/oder eines Oberflächenwellenfilters als elektrischen Resonator zum Antrieb einer Ionenfalle gelöst.According to a further aspect, the object is achieved according to the invention by using a quartz crystal, a ceramic filter, a piezoelectric component and / or a surface acoustic wave filter as an electrical resonator for driving an ion trap.
Derartige Resonatoren sind bekannt und dadurch, dass erfindungsgemäß diese bekannten Resonatoren zum Antrieb einer Ionenfalle verwendet werden, ergeben sich die mit Bezug auf die erfindungsgemäße Ionenfalle beschriebenen Vorteile, Insbesondere wird eine Miniaturisierung des Antriebs der Ionenfalle ermöglicht, während gleichzeitig eine Möglichkeit der Massenfertigung der Ionenfallen durch die einfache und zuverlässige Verfügbarkeit der Resonatoren gewährleistet ist.Such resonators are known and the fact that, according to the invention, these known resonators are used to drive an ion trap results in the advantages described with reference to the ion trap according to the invention. In particular, miniaturization of the drive of the ion trap is made possible, while at the same time a possibility of mass-producing the ion trap the simple and reliable availability of the resonators is guaranteed.
In einer Ausführungsform ist der Resonator direkt oder indirekt an Elektroden der Ionenfalle angeschlossen.In one embodiment, the resonator is connected directly or indirectly to electrodes of the ion trap.
In einer Ausführungsform ist der Resonator mittels einer oder mehrerer elektrischer Kapazitäten und/oder weiterer elektronischer Bauelemente an Elektroden der Ionenfalle angeschlossen.In one embodiment, the resonator is connected to electrodes of the ion trap by means of one or more electrical capacitances and / or further electronic components.
Weitere Vorteile und besondere Ausgestaltungen werden nachfolgend mit Verweis auf die beigefügten Figuren beschrieben. Hierbei zeigen:
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1 schematisch und exemplarisch eine Anordnung von Elektroden einer Ionenfalle, -
2 schematisch und exemplarisch eine Anordnung von Elektroden einer Ionenfalle, -
3 schematisch und exemplarisch eine Anordnung von Elektroden einer Ionenfalle, -
4 schematisch und exemplarisch eine Anordnung von Elektroden einer Ionenfalle, -
5 schematisch und exemplarisch eine Anordnung von Elektroden einer Ionenfalle, -
6 schematisch und exemplarisch ein Schaltbild einer bekannten Ionenfalle, -
7 schematisch und exemplarisch ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Ionenfalle, -
8 schematisch und exemplarisch eine Anordnung mehrerer Ionenfallenmodule und -
9 schematisch und exemplarisch eine perspektivische Ansicht der Geometrie der linearen Ionenfalle.
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1 schematically and exemplarily an arrangement of electrodes of an ion trap, -
2 schematically and exemplarily an arrangement of electrodes of an ion trap, -
3 schematically and exemplarily an arrangement of electrodes of an ion trap, -
4 schematically and exemplarily an arrangement of electrodes of an ion trap, -
5 schematically and exemplarily an arrangement of electrodes of an ion trap, -
6 schematically and exemplarily a circuit diagram of a known ion trap, -
7 schematically and exemplarily a circuit diagram of an ion trap according to the invention, -
8th schematically and exemplarily an arrangement of several ion trap modules and -
9 schematically and exemplarily a perspective view of the geometry of the linear ion trap.
Es ist nichttrivial, etwas zum Schweben zu bringen, denn das Earnshaw-Theorem besagt, dass sich dies mit den üblichen Potentialen (Schwerkraft, elektrischen und-mit Ausnahme von Diamagneten und den idealen Diamagneten, Supraleitern-magnetischen Kräften) nicht mit statischen (zeitlich unveränderten) Anordnungen bewerkstelligen lässt. Einer der bekannten Auswege stellt die ursprünglich als „Ionenkäfig“ erfundene Quadrupol(ionen)falle dar, die nach ihrem Erfinder auch Paulfalle genannt wird.It is not trivial to make something float, because the Earnshaw theorem states that this does not change with the usual potentials (gravity, electrical and - with the exception of diamagnets and the ideal diamagnets and the ideal diamagnets, superconductor magnetic forces) with static (unchanged in time) ) Arranges. One of the well-known ways out is the " Ion cage ”invented quadrupole (ions) fall, which is also called Paul trap after its inventor.
In dem Kontext dieser Patentanmeldung wird mit dem Begriff „Ionenfalle“ ein Oberbegriff sämtlicher zum Einfangen von geladenen Teilchen, insbesondere Ionen, ausgebildeten Vorrichtungen verstanden. Neben der oben beschriebenen auch als Quadrupolfalle bezeichneten „Paulfalle“ gibt es unter anderem noch eine andere, verbreitete Art von Ionenfallen, nämlich die Penningfalle. Der Begriff Ionenfalle selbst ist eine Rückübersetzung aus dem Englischen. Der Begriff Ionenkäfig aus den 1950ern wird heute nicht mehr verwendet, zumindest nicht in diesem Zusammenhang.In the context of this patent application, the term “ion trap” is understood to be a generic term for all devices designed to capture charged particles, in particular ions. In addition to the “Paul trap”, also described as a quadrupole trap, there is another, more common type of ion trap, namely the Penning trap. The term ion trap itself is a back translation from English. The term ion cage from the 1950s is no longer used today, at least not in this context.
Eine Quadrupolfalle hält ein oder mehrere geladene Teilchen, beispielsweise ein geladenes Atom, also ein Ion, mit einem elektrischen Wechselfeld in der Schwebe. Das funktioniert, obwohl jedes (statische) elektrische Feld in mindestens einer Raumrichtung höchstens ein labiles Gleichgewicht erzeugen kann. Denn die Umpolung bewirkt, dass ein zunächst weggetriebenes Teilchen einen noch höheren Impuls in Gegenrichtung erfährt, so dass sich im Zeitmittel eine rückstellende Kraft in jede Raumrichtung ergibt. Diese effektive Kraft ist eine konservative (energieerhaltende) Kraft, weshalb es das mathematische Konstrukt eines zugehörigen Potentials gibt, das sogenannte ponderomotive Potential.A quadrupole trap hangs one or more charged particles, for example a charged atom, i.e. an ion, with an alternating electrical field. This works, although each (static) electric field can create at most one unstable equilibrium in at least one spatial direction. This is because the polarity reversal means that a particle that is initially driven away experiences an even higher momentum in the opposite direction, so that, over time, there is a restoring force in every spatial direction. This effective force is a conservative (energy-conserving) force, which is why there is the mathematical construct of an associated potential, the so-called ponderomotive potential.
Das bevorzugte elektrische Wechselfeld einer Paulfalle stellvertretend für eine allgemeine Ionenfalle ist das Quadrupolfeld. Dies ist das Feld niedrigster Ordnung, das ein rückstellendes, ponderomotives Potential erzeugt. Man kann sich das zugrundeliegende, elektrische Potential als Sattelfläche verdeutlichen: In einer Raumrichtung gibt es eine Mulde und in (mindestens) einer dazu senkrechten Raumrichtung einen Hügel, so dass eine darauf balancierte Kugel in der ersten Raumrichtung (längs des gedachten Pferdes) zwar in die Mitte, entlang einer anderen (der Verbindungslinie zwischen den gedachten Reiterschenkeln) allerdings immer weiter nach außen rollen würde. Die Umpolung des Wechselfeldes würde (bei einem festen Sattel schwer vorstellbaren) Umstülpen des Sattels entsprechen; gerne wird als funktionierende Analogie ein schnelles Rotieren des Sattels um die Hochachse herangezogen, wobei es durchaus echte Demonstrationsexperimente mit rotierenden Sattelflächen gibt.The preferred electrical alternating field of a Paul trap representative of a general ion trap is the quadrupole field. This is the lowest order field that creates a resetting, ponderomotive potential. The underlying electrical potential can be illustrated as a saddle surface: there is a trough in one spatial direction and a hill in (at least) one spatial direction perpendicular to it, so that a ball balanced on it in the first spatial direction (along the imaginary horse) into the Middle, along another (the connecting line between the imaginary rider legs) would roll further and further out. The polarity reversal of the alternating field would correspond to turning the saddle inside out (difficult to imagine with a fixed saddle); The rotating analog of the saddle around the vertical axis is often used as a working analogy, although there are real demonstration experiments with rotating saddle surfaces.
Historisch hat man versucht, extrem gute Näherungen an dieses ideale Quadrupolfeld zu erzeugen, weshalb eine Paulfalle ursprünglich aus hyperbolisch geformte Elektroden, entsprechend den Äquipotentialflächen eines Quadrupolfeldes, bestand.Historically, attempts have been made to produce extremely good approximations to this ideal quadrupole field, which is why a Paul trap originally consisted of hyperbolic electrodes, corresponding to the equipotential surfaces of a quadrupole field.
Wohl experimentell wurde jedoch entdeckt, dass auch Abweichungen von dem Quadrupolfeld für Ionenfallen
In
Man könnte sagen, dass (fast) jede Elektrodengeometrie eine (meist ausreichende) Komponente eines zu einem rückstellenden, ponderomotiven Potential gehörenden Feldes ausbildet; sogar Büroklammern wurden bereits als Demonstrationsionenfallen benutzt.One could say that (almost) every electrode geometry forms a (usually sufficient) component of a field belonging to a restoring, ponderomotive potential; even paper clips have already been used as demonstration traps.
In Industrie und Forschung benutzt man selbstverständlich auf besonders gute Funktion optimierte Elektrodengeometrien, was meist, aber nicht immer auf hohen Quadrupolgehalt und/oder hohe Tiefe (Hürde zum Entkommen) im ponderomotiven Potential hinausläuft. Weitere Kriterien können beispielsweise Laserstrahlzugänglichkeit oder Parameterverstellbarkeit durch weitere Steuerelektroden sein.In industry and research, of course, electrode geometries optimized for particularly good function are used, which usually, but not always, results in a high quadrupole content and / or high depth (hurdle to escape) in the ponderomotive potential. Further criteria can be, for example, laser beam accessibility or parameter adjustability by means of further control electrodes.
In dieser Anordnung sind die Gegenpole der Wechselspannungsbeschaltung, die Elektroden
Statische elektrische Felder haben ein Rauschen, das sich invers proportional zu der vierten Potenz des Abstandes von der Elektrode verhält. Große Elektroden bzw. ein großer Abstand des Elektrons oder Ions von der Metalloberfläche unterdrückt damit ein Rauschen. Vorzugsweise sind die Zwischenräume
Die verbreitetste Anwendung von Ionenfallen sind Massenspektrometer. In Ihnen wird eine zu untersuchende Probe ionisiert und entweder in einen der schon erwähnten Massenfilter oder in eine noch traditionellere Ionenfalle eingespeist. Abhängig von den verwandten Spannungen (Wechselspannung und überlagerte Gleichspannung), der Wechselspannungsfrequenz, den Abmessungen und der Geometrie der Ionenfalle wird nämlich nur ein gewisser Bereich von Ladungs-zu-Massenverhältnissen in der Ionenfalle gefangen bzw. im Massenfilter weitergeleitet. Detektiert man die übrigen Ionen während man diesen Bereich verändert, so kann man den Gehalt an Ionen mit bekanntem Ladungs-zu-Massenverhältnis bestimmen, also ein (Ladungs-zu-) Massenspektrogramm erhalten. Die genannten Abhängigkeiten lassen sich mathematisch in zwei sogenannte Fallenparameter zusammenfassen; die zugehörigen Bewegungsgleichungen (die über die Näherung des ponderomotiven Potentials hinaus die detaillierte Bewegung beschreiben) heißen Mathieu-Gleichungen. Eine grafische Darstellung mit den Regionen (oder der einen meist interessierenden Hauptregion) von Fallenparametem, bei denen Ionen oder andere Teilchen gefangen bleiben können, heißt Stabilitätsdiagramm.The most common application of ion traps are mass spectrometers. A sample to be examined is ionized in them and either fed into one of the mass filters already mentioned or into an even more traditional ion trap. Depending on the related voltages (AC voltage and superimposed DC voltage), the AC voltage frequency, the dimensions and the geometry of the ion trap, only a certain range of charge-to-mass ratios is trapped in the ion trap or passed on in the mass filter. If the remaining ions are detected while changing this range, the content of ions with a known charge-to-mass ratio can be determined, that is, a (charge-to-mass) spectrogram can be obtained. The dependencies mentioned can be mathematically summarized in two so-called trap parameters; the corresponding equations of motion (which describe the detailed motion in addition to the approximation of the ponderomotive potential) are called Mathieu equations. A graphical representation with the regions (or one of the most interesting main regions) of trap parameters in which ions or other particles can remain trapped is called the stability diagram.
Unter anderem für ionenfallenbasierte Quantencomputer, beispielsweise aber auch für optische Atomuhren und ähnliche Anwendungsgebiete interessant ist eine andere Anwendung von Ionenfallen: Statt sehr vielen Ionen werden nur einzelne oder geringe Zahlen von Ionen gefangen. Es interessiert hierbei die Wechselwirkung eines oder mehrerer Ionen mit Laser- oder Mikrowellenfeldern. Die Aufgabe der Ionenfalle ist es dabei, das oder die Ionen gut von der Umgebung isoliert im luftleeren Raum, speziell in einem Ultrahochvakuum, zu halten. Von besonderem Interesse ist es, Ionen so sehr abzukühlen, dass (in der Reihenfolge sinkender Resttemperatur bzw. -bewegung des oder der Ionen):
- 1. Die normalerweise wild durcheinanderwirbelnde Bewegung der Ionen so weit gebremst ist, dass sich feste Abstände und Winkel zwischen den Ionen ausbilden: Es entsteht ein sogenanntes Ionenkristall.
- 2. Ein bzw. jedes einzelne Ion sich so wenig bewegt, dass Wechselwirkungen mit Laserlicht mathematisch im sogenannten Lamb-Dicke-Bereich liegen: Die Wechselwirkung zwischen Licht- und Vibrationsbewegung zeigt deutlich die Quantisierung der Vibrationsbewegung als Seitenbandmodulation des optischen Spektrums. Dadurch ist (im Grenzfall einer Lage weit innerhalb dieses Bereichs) eine vereinfachte mathematische Beschreibung und beispielsweise ein weiteres Kühlen durch optische Anregung eines sogenannten Bewegungsseitenbandes möglich. In diesem Grenzfall funktionieren sogenannte „warme“ (oder, nach den Erfindern, Mølmer-Sørensen-) Quantencomputeroperationen (oder, kurz, Quantengatter).
- 3. Das oder die Ionen praktisch keine Restbewegung mehr aufweisen: Der quatenmechanische Grundzustand (in Bezug auf mindestens eine interessierende Achse der Vibrationsbewegungen) ist erreicht. In diesem Bereich funktionieren sogenannte „kalte“ (oder, nach den Erfindern, Cirac-Zoller-) Quantengatter.
- 1. The usually wildly swirling movement of the ions is slowed down to such an extent that fixed distances and angles between the ions form: a so-called ion crystal is formed.
- 2. One or each individual ion moves so little that interaction with laser light is mathematically Thickness range: The interaction between light and vibration movement clearly shows the quantization of the vibration movement as sideband modulation of the optical spectrum. As a result, a simplified mathematical description and, for example, further cooling by optical excitation of a so-called movement sideband is possible (in the limit case of a position far within this range). In this borderline case, so-called “warm” (or, according to the inventors, Mølmer-Sørensen-) quantum computer operations (or, in short, quantum gates) work.
- 3. That the ion (s) have practically no residual movement: The basic quatomechanical state (in relation to at least one axis of interest of the vibration movements) has been reached. So-called “cold” (or, according to the inventors, Cirac-Zoller) quantum gates work in this area.
Um solche Ionenkühlung zu ermöglichen und einmal derart gekühlte Ionen möglichst lange kalt genug zu halten, darf dessen Bewegung nicht zu sehr durch elektrische Störfelder angeregt werden. Beispielsweise würde ein elektrisches Wechselfeld bei der Frequenz, bei der das Ion natürlicherweise im ponderomotiven Potential schwingen kann, zu einem Resonanzeffekt und damit einer hoher (Ionen-) Heizrate führen. Diese Heizrate misst man üblicherweise in Quanten der geschilderten Schwingung (zuvor auch Vibrationsbewegung genannt) pro Zeiteinheit.In order to enable such ion cooling and to keep ions cooled in this way as cold as long as possible, their movement must not be stimulated too much by electrical interference fields. For example, an alternating electric field at the frequency at which the ion can naturally vibrate in the ponderomotive potential would lead to a resonance effect and thus a high (ion) heating rate. This heating rate is usually measured in quanta of the described vibration (previously also called vibration movement) per unit of time.
Die meist stärkste Quelle aufheizend wirkender, elektrischer Störfelder sind Feldfluktuationen, die wissenschaftlich nicht im Detail verstanden sind, jedoch mit lokalen Effekten an Elektrodenoberflächen zusammenhängen; sie nehmen mit zunehmendem Elektrodenabstand stark ab und lassen sich durch Reinigung (mit starken Laserpulsen oder durch Behandlung mit Argonionen) sowie durch Elektrodenabkühlung auf kryogene Temperaturen um mehrere Größenordnungen verringern. Im für diese Schrift relevanten Vorhaben sind sie durch Wahl einer relativ großen Ionenfalle, bei der minimale Abständen zwischen Ionen und Elektroden von etwa 500 µm eingehalten werden, auf etwa 1 Quant pro Sekunde beschränkt. Typisch für die meist erheblich kleineren, für ionenfallenbasierte Quantencomputerexperimente oft eingesetzten Oberflächenfallen sind Aufheizraten in der Größenordnung von 1000 Quanten pro Sekunde.The usually strongest source of heating electrical interference fields are field fluctuations that are not scientifically understood in detail, but are related to local effects on electrode surfaces; they decrease sharply with increasing electrode spacing and can be reduced by several orders of magnitude by cleaning (with strong laser pulses or by treatment with argon ions) and by cooling the electrodes to cryogenic temperatures. In the project relevant to this document, they are limited to approximately 1 quantum per second by choosing a relatively large ion trap, in which the minimum distances between ions and electrodes of approximately 500 μm are maintained. Typical for the mostly considerably smaller surface traps often used for ion trap-based quantum computer experiments are heating rates in the order of 1000 quanta per second.
Damit durch elektrisch angelegte Spannungen erzeugte Feldfluktuationen idealerweise keine noch größeren, auf jeden Fall aber kleine, zusätzliche Beiträge zur Aufheizrate liefern, werden Resonatoren hoher Güte als Teil der Wechselspannungsversorgung von Ionenfallen für Einzelionenanwendungen eingesetzt. Dies wird insbesondere aus zwei Gründen für notwendig erachtet:
- • Erstens sind die notwendigerweise gemachten Kompromisse bei den Ionenfallenparametern für Einzelionenexperimente in der Regel dann günstiger, wenn man zu hohen Spannungen (oft 100 bis über 1000 V Wechselspannungsamplitude) bei gleichzeitig halbwegs hohen Frequenzen (oft 10 bis 200 MHz) geht. Das hat atomphysikalische Gründe. Durch die schwer unter ca. 20 pF haltbare Kapazität von den üblicherweise verwendeten, elektrischen Koaxialdurchführungen für Ultrahochvakuumsaperaturen entspricht dies Hochleistungselektronik mit Blindleistungen
bis jenseits von 1 kVA. Um solche Ionenfallen nicht mitteilweise mehr als 1 kW echter Leistung betreiben zu müssen, ergänzt man diese Kapazität mit einer Induktivität zu einem Schwingkreis mit hoher Güte (typ. sind Gütefaktoren von mehreren hundert bis rund eintausend). Der Resonator wirkt dabei wie ein Leistungsrecycler. - • Zweitens filtert ein Resonator auch technisches und sogar thermodynamisch unvermeidbares Rauschen. Dies liegt daran, dass elektrische Leistung mit Frequenzen nahe der Resonanz durch den Resonanzeffekt überhöht, andere hingegen abgeschwächt werden. Somit kann die Resonanzüberhöhung für das Recyceln elektrischer Leistung zwischen Schwingungsperioden genutzt werden und gleichzeitig das Rauschen bei den Vibrationsfrequenzen eines oder mehrerer Ionen in der Falle erheblich reduziert werden.
- • Firstly, the compromises that are necessarily made in the ion trap parameters for single ion experiments are generally more favorable if one goes to high voltages (often 100 to over 1000 V AC amplitude) and at the same time reasonably high frequencies (often 10 to 200 MHz). There are atomic-physical reasons for this. Due to the capacity of the commonly used electrical coaxial feedthroughs for ultra-high vacuum apparatuses, which is difficult to maintain below approx. 20 pF, this corresponds to high-performance electronics with reactive powers of up to 1 kVA. In order not to have to operate such ion traps with real power of more than 1 kW in some cases, this capacitance is supplemented with an inductance to form a resonant circuit of high quality (quality factors are typically from several hundred to around one thousand). The resonator acts like a performance recycler.
- Second, a resonator also filters out technical and even thermodynamically unavoidable noise. This is because electrical power with frequencies near the resonance is exaggerated by the resonance effect, while others are weakened. Thus, the resonance increase can be used for the recycling of electrical power between oscillation periods and at the same time the noise at the vibration frequencies of one or more ions in the trap can be considerably reduced.
Eine Vakuumkammer
Gekoppelt ist dies erfindungsgemäß damit, dass massengefertigte Schwingkreise
Demnach werden die bislang üblicherweise verwendeten Resonanztransformatoren durch einen der beschriebenen Resonanzschwingkreise
Sollte es zu Nichtlinearitäten der Resonatoren
Die Forderung nach einem elektrischen Schaltkreis innerhalb der Vakuumkammer
Mit den beschriebenen Elementen ist das Einstellen von Amplitude, Frequenz und Phase bzw. Phasenrichtigkeit zwischen verschiedenen Ansteuerungsschaltungen ein regeltechnisches Problem, dass sich mit den für dieses Feld üblichen Methoden lösen lässt. Was bleibt ist die Frage, wie die richtigen Vorgaben für diese Werte zu finden sind. Bei der Phase ist dies trivial: Alle mit Wechselspannung betriebenen Elektroden
Es ist üblich, einzelne (oder mehrere) Ionen zu fangen, indem man zunächst die Ionenfalle bereitstellt (also deren Wechselspannungsquelle einschaltet) und anschließend Ionen möglichst nahe des Fallenmittelpunktes erzeugt. Traditionell beschießt man dazu Atome aus einem Miniaturofen mit Elektronen um sie per Stoßionisation zu ionisieren; inzwischen wird es jedoch bevorzugt, solche Atome mit einem Laser zu photoionisieren. Dies hat den Vorteil, dass weniger Atome gebraucht werden, denn die Photoionisation ist sehr viel effizienter. So führt der bevorzugte Ansatz auch dazu, dass Elektroden und alles andere, was sich im Vakuum befindet, weniger mit Atomdampf verunreinigt wird.It is common to trap individual (or more) ions by first providing the ion trap (i.e. switching on its AC voltage source) and then generating ions as close as possible to the center of the trap. Traditionally, atoms are bombarded with electrons from a miniature furnace in order to ionize them by impact ionization; meanwhile, however, it is preferred to photoionize such atoms with a laser. This has the advantage that fewer atoms are needed because photoionization is much more efficient. The preferred approach also means that electrodes and everything else that is in a vacuum is less contaminated with atomic vapor.
Das oder die so in die Falle geladenen Ionen haben eine hohe Temperatur, denn ihre Bewegungsenergie entspricht im Ideal- und Minimalfall der, mit denen die Atome aus dem Ofen unterwegs waren, im Mittel also einer deutlich über Raumtemperatur erhöhten Temperatur, die sie im konservativen ponderomotiven Potential lange behalten, wenn man sie nicht abkühlt. Dazu benutzt man beispielsweise einen weiteren Laser zur sogenannten Dopplerkühlung: Man strahlt ihn von einem atomaren Übergang im Atom ausgehend ins Rote verstimmt auf das Ion oder die Ionen ein. Dadurch sind nur solche Ionen in optischer Resonanz, die sich auf den Laser zubewegen. Bei der nur dann erfolgenden Absorption eines Lichtteilchens (Photons) werden sie gebremst, bekommen also weniger Bewegungsenergie, im statistischen Mittel auch, nachdem sie ein entsprechendes Photon wieder emittiert (abgegeben) haben.The ion or ions loaded into the trap have a high temperature, because their kinetic energy ideally and minimally corresponds to that with which the atoms were traveling out of the furnace, i.e. on average a temperature that is significantly higher than room temperature, which they have in the conservative ponderomotive Keep potential long if you don't cool it down. For this purpose, for example, another laser is used for so-called Doppler cooling: it is emitted from an atomic transition in the atom into the red out of tune on the ion or ions. This means that only ions that move towards the laser are in optical resonance. When a light particle (photon) is only then absorbed, they are slowed down and therefore receive less kinetic energy, on average even after they have emitted (emitted) a corresponding photon.
Mit den üblicherweise verwendeten Übergängen in den geeigneten Ionen kann dieser Vorgang ganz grob etwa 10 Millionen Mal pro Sekunde erfolgen. Aufgrund der Abgabe von Photonen „sieht“ man das Ion dabei bei geeigneterWahl der Laserverstimmung auch dann noch, wenn die für das Dopplerkühlen optimale Temperatur erreicht ist. Sie entspricht bei üblichen experimentellen Parametern ganz grob 10 verbleibenden Quanten jeder Bewegungsmode; durch Tricks, u.a. Seitenbandkühlen, kann sie weiter verringert werden.With the commonly used transitions in the appropriate ions, this process can be roughly 10 million times per second respectively. Due to the emission of photons, the ion can be “seen” with a suitable choice of laser detuning even when the optimal temperature for Doppler cooling has been reached. With usual experimental parameters, it roughly corresponds to 10 remaining quanta of each movement mode; it can be further reduced by tricks, including side band cooling.
„Sehen“ steht dabei in Anführungszeichen, weil dies in manchen Fällen zwar möglich sein dürfte, man üblicherweise aber auf sehr empfindliche Detektoren, oft sogar auf Einzelphotonendetektoren, zurückgreift. Damit und mit geeignet gesteuerten Lasern sind eine Vielzahl von Experimenten und Messungen möglich; wichtig wird noch werden, dass es eine laserspektroskopische Möglichkeit gibt, zu messen, welche mittlere Anzahl von Quanten der Vibrationsmoden ein Ion hat, wobei die Messung voraussetzt, dass es nicht zu viele sind. Für das erwähnte, optimale Kühlergebnis ist es wichtig, dass das Ion möglichst wenig von dem Wechselfeld spürt. Bei einem idealen Quadrupolfeld ist das automatisch gegeben, wenn es sich im Minimum des ponderomotiven Potentials befindet. Doch wegen der Möglichkeit (und damit praktischen Sicherheit) von unbeabsichtigten elektrischen Streufeldern ist dies nur dann gegeben, wenn diese abgeschirmt oder durch ein Gegenfeld kompensiert werden. Zu diesem Zweck hat jede Einzelionenfalle vorzugsweise zusätzliche Elektroden
Derartige Gleichstromelektroden
Prinzipiell kann jeder der Gleichspannungselektrodenabschnitte
Problematisch sind dabei mechanische Toleranzen der mit Wechselspannung angesteuerten, die Ionenfalle
Die erfindungsgemäße Einzelansteuerung individueller Elektroden
Ein Ion, welches das Wechselspannungsfeld der Fallenelektroden
So kann beispielsweise eine (meist ungewollte) Variation der Vibrationsfrequenz gemessen werden, indem man die Zusatzwechselspannung geeignet gegenüber der gewollten Vibrationsfrequenz verstimmt. Das muss entweder im Vorfeld erfolgen, oder statt der einen Zusatzwechselspannung ist ein entsprechendes, aber spektral verbreitertes Signal als Zusatzeinspeisung zu nutzen.For example, a (mostly unwanted) variation in the vibration frequency can be measured by suitably detuning the additional AC voltage from the desired vibration frequency. This must either be done in advance, or a corresponding, but spectrally broadened signal must be used as an additional feed instead of the additional AC voltage.
Im Endeffekt erlaubt so eine (wiederholte) Messung nicht nur festzustellen, wie sehr ein Ion einer Potentialschwelle des ponderomotiven Potentials (oder vielmehr dem diese erzeugenden Wechselfeld) ausgesetzt ist, sondern auch, in Richtung welcher Ansteuerparameterveränderung eine Verbesserung zu erzielen ist. Als Parameter ist vorzugsweise die Amplitude der mit Wechselstrom angesteuerten Elektroden
Zur Kompensation magnetischer Felder entlang der Bewegung von Ionen wird ein vergleichbares, allerdings auf Magnetfelder sensitives Verfahren angewandt.A comparable method, which is sensitive to magnetic fields, is used to compensate for magnetic fields along the movement of ions.
Jedes der Ionenfallenmodule
Die gesamte Anordnung aus Ionenfallenmodulen
Schließlich zeigt
Gezeigt ist ein Schnitt senkrecht zur linearen Bewegungsbahn eines Ions
Es wird demnach besonders eine elektrische Schaltung zum Antrieb von Ionenfallen
Eine solche Zunahme ist üblicherweise aber unerwünscht, da zu viel solcher Bewegung oder aber schon die Zunahme selbst problematisch für die meisten (erwünschten) Laser-Ion-Interaktionen sind. Bisher sind zwar verschiedene Bauarten solcher Resonatoren für Ionenfallenantriebe bekannt, jedoch wird nur eine Spielart, der „helical resonator“ im Zusammenhang mit für Einzelionenbetrieb ausgelegte Ionenfallen benutzt. Das liegt daran, dass nur große Kupferluftspulen die dabei angestrebte Güte erreichen.Such an increase is usually undesirable, however, since too much such movement or even the increase itself is problematic for most (desired) laser-ion interactions. So far, different types of such resonators for ion trap drives are known, but only one variant, the “helical resonator”, is used in connection with ion traps designed for single ion operation. This is because only large copper air coils achieve the desired quality.
Demgegenüber werden erfindungsgemäß statt Kupferluftspulen eigentlich für Kleinsignalanwendungen produzierte, massenfertigbare Resonatoren verwendet, beispielsweise Quarzkristalle, keramische Filter, piezoelektrische Bauelemente oder Oberflächenwellenfilter. Durch die dabei zu erwartende Genauigkeit in der Resonanzfrequenz wird eine Vielzahl von neuen Anwendungen ermöglicht. Dazu gehört die Verwendung mehrerer Wechselspannungsquellen in einer Ionenfalle und die Möglichkeit, deren Eigenschaften dann rein elektrisch abzustimmen, beispielsweise um mechanische Fertigungstoleranzen auszugleichen oder um Kreuzungspunkte in den Pfaden, entlang derer Ionen in manchen Ionenfallen transportiert werden können, in besonders einfacher und besonders hochqualitativer Art einrichten zu können. Ferner gehört zu diesen Anwendungen die Möglichkeit, getrennte Ionenfallen zu verbinden, ohne dabei extreme mechanische Toleranzen gewährleisten zu müssen. Vorstellbar ist dies sogar in gewinkelter Form, so dass derart zusammengefügte Ionenfallenmodule sich nicht auf eine Ebene beschränken müssen, sondern raumfüllend, also beispielsweise in 3 Dimensionen gestapelt, ausgeführt werden können.In contrast, according to the invention, mass-producible resonators, such as quartz crystals, ceramic filters, piezoelectric components or surface acoustic wave filters, are actually used instead of copper air coils for small signal applications. The expected accuracy in the resonance frequency enables a multitude of new applications. This includes the use of several AC voltage sources in an ion trap and the possibility of then adjusting their properties purely electrically, for example to compensate for mechanical manufacturing tolerances or to set up crossing points in the paths along which ions can be transported in some ion traps in a particularly simple and particularly high-quality way to be able to. These applications also include the possibility of connecting separate ion traps without having to guarantee extreme mechanical tolerances. This is even conceivable in an angled form, so that ion trap modules assembled in this way do not have to be limited to one level, but can be designed to fill the space, for example stacked in 3 dimensions.
Die Erfindung löst demnach die Aufgabe, eine massenfertigbare, durch Resonanz rauschfilternde und leistungsrecycelnde, kleine, elektrische Schaltung für den Antrieb von Ionenfallen bereitzustellen und Methoden zur erfolgreichen Nutzung zu offenbaren.The invention therefore solves the problem of providing a small, electrical circuit for the production of ion traps that can be mass-produced, noise-filtered and power-recycling through resonance, and to disclose methods for successful use.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, dabei den Gleichstromanteil der angelegten Wechselspannung zu definieren oder optional einstellbar zu gestalten, ohne dabei signifikantes, zusätzliches Rauschen bei einer Bewegungsfrequenz der Ionen zu generieren.Another object of the invention is to define the DC component of the applied AC voltage or to make it optionally adjustable without generating significant additional noise at a movement frequency of the ions.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, dieses Leistungsrecyceln durch Resonanz so stabil bzw. frequenzreproduzierbar zu gestalten, dass ermöglicht wird, verschiedene Elektroden einer Ionenfalle mit verschiedenen elektrischen Antrieben bei gleicher Frequenz mit definiertem und optional auch einstellbarem Phasen- und Amplitudenverhältnis anzutreiben.It is a further object of the invention to make this power recycling so stable or frequency reproducible by resonance that it is possible to drive different electrodes of an ion trap with different electric drives at the same frequency with a defined and optionally also adjustable phase and amplitude ratio.
Eine zusätzliche Aufgabe der Erfindung ist es, eine Möglichkeit zu schaffen, die an die Ionenfalle angelegte Wechselspannung und ihren Zeitverlauf zu messen, beispielsweise um ihre Phase und/oder ihre Amplitude nachzuregeln.An additional object of the invention is to create a possibility of measuring the AC voltage applied to the ion trap and its time profile, for example in order to readjust its phase and / or its amplitude.
Schließlich ist es auch Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit bereitzustellen, den elektrischen Antrieb einer Ionenfalle in die die Ionenfalle beinhaltende Vakuumkammer zu integrieren.Finally, it is also an object of the invention to provide a possibility of integrating the electrical drive of an ion trap into the vacuum chamber containing the ion trap.
Die Erfindung besteht demnach in der Zweckentfremdung von üblicherweise ausschließlich für die Kleinsignalfilterung, Frequenzstabilisierung, als Aktuatoren oder anderweitig mit kleinen Spannungen und Strömen verwandten Resonatoren für eine aufgrund parasitärer Kapazitäten im oder nahe dem Bereich der Leistungselektronik liegende Anwendung, den elektrischen Antrieb einer Ionenfalle.The invention therefore consists in the misappropriation of resonators usually used exclusively for small signal filtering, frequency stabilization, as actuators or otherwise with low voltages and currents for an application due to parasitic capacitances in or near the field of power electronics, the electrical drive of an ion trap.
Ein piezoeletrisch kontaktierter Quartzkristall ähnlich oder identisch zu den mit Kleinstsignalen betriebenen, frequenzbestimmenden Bauteilen in Quartzoszillatoren wird als Resonator für den Antrieb einer Ionenfalle benutzt, indem er zwischen zwei in Gegenphase mit Wechselspannung gespeiste Elektroden geschaltet wird.A piezoelectrically contacted quartz crystal similar or identical to the frequency-determining components in quartz oscillators operated with micro signals is used as a resonator for driving an ion trap by switching it between two electrodes fed in alternating phase with alternating voltage.
Es entsteht mindestens eine Resonanz, bei der mechanisch bzw. piezoelektrisch im Kristall gespeicherte Energie teilweise in elektrostatische Energie in der von der Ionenfalle gebildeten, parasitären Kapazität umgewandelt wird und umgekehrt. Damit erfüllt diese Ausführung die Aufgabe der Erfindung; zweckmäßigerweise kann dieser Ionenfallenantrieb wiederum von einer äußeren Schaltung angetrieben werden, die beispielsweise kapazitiv gekoppelt oder über einen kapazitiven Spannungsteiler angeschlossen ist.At least one resonance arises, in which energy mechanically or piezoelectrically stored in the crystal is partially converted into electrostatic energy in the parasitic capacitance formed by the ion trap and vice versa. This embodiment thus fulfills the object of the invention; This ion trap drive can expediently in turn be driven by an external circuit which is, for example, capacitively coupled or connected via a capacitive voltage divider.
Um eine erfolgreiche Anregung des bei größeren Amplituden sich nichtlinear verhaltenden Kristalls zu erreichen, kann die Frequenz auf die zu einer aktuell erreichten Amplitude nachgestellt oder nachgeregelt werden.In order to achieve a successful excitation of the crystal, which behaves non-linearly with larger amplitudes, the frequency can be adjusted or readjusted to the currently reached amplitude.
Zum Definieren oder Einstellen des Gleichstromanteils der so an Ionenfallenelektroden angelegten Wechselspannung wird ein RC-Glied mit sehr langer Zeitkonstante, bei dem die Kapazität ganz oder zum Teil durch die parasitäre Kapazität der Ionenfalle geformt wird, an die nicht geerdete Ionenfallenelektrode angeschlossen. Dadurch kann das vom Widerstand erzeugte Rauschen so stark gefiltert werden, dass es bei der Bewegungsfrequenz von einem oder mehreren, in der Ionenfalle befindlichen Ionen keinen signifikanten Beitrag mehr leistet.To define or adjust the direct current component of the AC voltage thus applied to ion trap electrodes, an RC element with a very long time constant, in which the capacitance is wholly or partly shaped by the parasitic capacitance of the ion trap, is connected to the ungrounded ion trap electrode. As a result, the noise generated by the resistor can be filtered so strongly that it no longer makes a significant contribution to the movement frequency of one or more ions located in the ion trap.
In der Anwendung mit unabhängiger Ansteuerung von zwei oder mehr Elektroden der Ionenfalle wird die beschriebene Ausführung entsprechend vervielfacht. In der Ausführung mit in die Vakuumkammer integrierter Ansteuerung ist mindestens der beschriebene Resonator in dieser Vakuumkammer enthalten.In the application with independent control of two or more electrodes of the ion trap, the design described is multiplied accordingly. In the version with control integrated in the vacuum chamber, at least the resonator described is contained in this vacuum chamber.
Zum Messen des Zeitverlaufs der an die Ionenfallenelektroden tatsächlich angelegten Spannung ist es möglich, mittels überwiegend kapazitivem Spannungsteiler eine elektronisch leicht weiterverarbeitbare, entsprechend niedrigere Spannung zu erzeugen. Mittels einer Regelschleife kann dadurch Phase und Amplitude auf gewünschte Stellwerte geregelt werden.To measure the time profile of the voltage actually applied to the ion trap electrodes, it is possible to generate a correspondingly lower voltage by means of predominantly capacitive voltage dividers. By means of a control loop, the phase and amplitude can be regulated to the desired control values.
Beispiel 1. Die Verwendung mindestens eines Quartzkristalls als Resonator zum Antrieb einer Ionenfalle, um Antriebsrauschen zu filtern, eine Leistungsverminderung des Antriebs zu erreichen, oder beides, wobei dieser Resonator direkt oder indirekt mittels einer oder mehrerer, elektrischer Kapazitäten oder anderer elektrischer Bauelemente an Elektroden einer Ionenfalle angeschlossen ist.Example 1. The use of at least one quartz crystal as a resonator to drive an ion trap, to filter drive noise, to reduce drive performance, or both, this resonator being directly or indirectly connected to one or more of the electrical capacitances or other electrical components on electrodes Ion trap is connected.
Beispiel 2. Die Verwendung mindestens eines keramischen Resonators oder keramischen Filters als Resonator zum Antrieb einer Ionenfalle, um Antriebsrauschen zu filtern, eine Leistungsverminderung des Antriebs zu erreichen, oder beides, wobei dieser Resonator direkt oder indirekt mittels einer oder mehrerer, elektrischer Kapazitäten oder anderer elektrischer Bauelemente an Elektroden einer Ionenfalle angeschlossen ist.Example 2. The use of at least one ceramic resonator or ceramic filter as a resonator to drive an ion trap to filter drive noise, achieve power reduction of the drive, or both, this resonator directly or indirectly by means of one or more electrical capacities or other electrical Components is connected to electrodes of an ion trap.
Beispiel 3. Die Verwendung mindestens eines Oberflächenwellenfilters als Resonator zum Antrieb einer Ionenfalle, um Antriebsrauschen zu filtern, eine Leistungsverminderung des Antriebs zu erreichen, oder beides, wobei dieser Resonator direkt oder indirekt mittels einer oder mehrerer, elektrischer Kapazitäten oder anderer elektrischer Bauelemente an Elektroden einer Ionenfalle angeschlossen ist.Example 3. The use of at least one surface acoustic wave filter as a resonator to drive an ion trap to filter drive noise, achieve a reduction in power of the drive, or both, this resonator being directly or indirectly by means of one or more electrical capacitances or other electrical components on electrodes of one Ion trap is connected.
Beispiel 4. Die Verwendung mindestens eines MEMS-Bauteils als Resonator zum Antrieb einer Ionenfalle, um Antriebsrauschen zu filtern, eine Leistungsverminderung des Antriebs zu erreichen, oder beides, wobei dieser Resonator direkt oder indirekt mittels einer oder mehrerer, elektrischer Kapazitäten oder anderer elektrischer Bauelemente an Elektroden einer Ionenfalle angeschlossen ist.Example 4. The use of at least one MEMS device as a resonator to drive an ion trap to filter drive noise, achieve a reduction in power of the drive, or both, this resonator being connected directly or indirectly by means of one or more electrical capacitances or other electrical components Electrodes of an ion trap is connected.
Beispiel 5. Die Verwendung mindestens eines piezoelektrischen Resonators, piezoelektrischen Transformators, oder piezoelektrischen Resonanztransformators als Resonator zum Antrieb einer Ionenfalle, um Antriebsrauschen zu filtern, eine Leistungsverminderung des Antriebs zu erreichen, oder beides, wobei dieser Resonator direkt oder indirekt mittels einer oder mehrerer, elektrischer Kapazitäten oder anderer elektrischer Bauelemente an Elektroden einer Ionenfalle angeschlossen ist.Example 5. The use of at least one piezoelectric resonator, piezoelectric transformer, or piezoelectric resonance transformer as a resonator to drive an ion trap to filter drive noise, achieve performance degradation of the drive, or both, this resonator directly or indirectly using one or more electrical Capacities or other electrical components is connected to electrodes of an ion trap.
Beispiel 6. Die Verwendung eines RC-Tiefpasses mit einem Widerstand größer als ein Megaohm, wobei die Kapazität entfallen kann bzw. ausschließlich von parasitärer Kapazität geformt werden kann, an einer mit Wechselspannung an einem Resonator betriebenen Ionenfallenelektrode, um eine gewünschte Gleichspannung oder eine sich im Vergleich zur Ionenfallenantriebswechselspannung nur langsam ändernde Spannung als Offset zu dieser Antriebswechselspannung anzulegen.Example 6. The use of an RC low-pass filter with a resistance greater than one megaohm, the capacitance being eliminated or being able to be formed exclusively from parasitic capacitance, on an ion trap electrode operated with alternating voltage on a resonator, in order to obtain a desired direct voltage or a In comparison to the ion trap drive AC voltage, only slowly changing voltage should be applied as an offset to this AC drive voltage.
Beispiel 7. Die Verwendung eines beliebigen Tiefpasses an einer mit Wechselspannung an einem Resonator betriebenen Ionenfallenelektrode, um einen gewünschten Gleichspannungsoffset oder eine sich im Vergleich zur Ionenfallenantriebswechselspannung nur langsam ändernde Spannung als Offset zu dieser Antriebswechselspannung anzulegen.Example 7. The use of any low-pass filter on an ion trap electrode operated with AC voltage on a resonator in order to apply a desired DC voltage offset or a voltage which changes only slowly compared to the ion trap drive AC voltage as an offset to this AC drive voltage.
Beispiel 8. Die Verwendung eines kapazitiven Spannungsteilers zur Messung oder Regelung der an Ionenfallenelektroden angelegten Wechselspannung, wobei dieser Spannungsteiler innerhalb der Vakuumkammer ist, in der sich die Ionenfalle befindet.Example 8. The use of a capacitive voltage divider to measure or control the AC voltage applied to ion trap electrodes, this voltage divider being within the vacuum chamber in which the ion trap is located.
Beispiel 9. Eine elektrische Ansteuerung eines zum Antrieb einer Ionenfalle eingesetzten und in seiner Resonanzfrequenz erkennbar amplitudenabhängigen Resonators, wobei die Frequenz der Ansteuerung der Resonanzfrequenz entweder nachgestellt oder nachgeregelt wird, auch wenn sie ohne Ermittlung der momentanen Resonanzfrequenz oder Schwingungsamplitude nur nach einen festen Schema einen Frequenzbereich durchfährt.Example 9. An electrical control of a resonator which is used to drive an ion trap and whose resonance frequency is detectable, the frequency of the control of the resonance frequency being either adjusted or readjusted, even if it only determines a frequency range according to a fixed scheme without determining the instantaneous resonance frequency or vibration amplitude traverses.
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Legal Events
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R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |