WO2020049165A1 - Ion trap, method for controlling the ion trap and uses as drive of an ion trap - Google Patents

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WO2020049165A1
WO2020049165A1 PCT/EP2019/073871 EP2019073871W WO2020049165A1 WO 2020049165 A1 WO2020049165 A1 WO 2020049165A1 EP 2019073871 W EP2019073871 W EP 2019073871W WO 2020049165 A1 WO2020049165 A1 WO 2020049165A1
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ion trap
electrodes
voltage
resonator
ion
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PCT/EP2019/073871
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Björn Stein
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Quantum Factory GmbH
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    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06NCOMPUTING ARRANGEMENTS BASED ON SPECIFIC COMPUTATIONAL MODELS
    • G06N10/00Quantum computing, i.e. information processing based on quantum-mechanical phenomena
    • GPHYSICS
    • G21NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21KTECHNIQUES FOR HANDLING PARTICLES OR IONISING RADIATION NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; IRRADIATION DEVICES; GAMMA RAY OR X-RAY MICROSCOPES
    • G21K1/00Arrangements for handling particles or ionising radiation, e.g. focusing or moderating

Definitions

  • 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 an associated one ion trap.
  • 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
  • Paul trap an ion trap of the type also known as Paul trap is operated independently of its geometric design and an associated one ion trap.
  • Those 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.
  • the control by means of a resonant resonant circuit has the advantage of filtering out disturbing electrical noise beyond the drive frequency and of reducing the drive power that goes into the field of power electronics due to the parasitic capacitances of the ion trap and the commonly used vacuum feedthroughs.
  • Electrodes can be connected to a DC potential. It is state of the art to use an RC low-pass filter for filtering the voltage noise for these electrodes, but not for the electrodes with alternating voltage potential. This low pass can be located outside or inside the vacuum chamber in which the ion trap is operated. The latter was described in Pyka, Karsten & Herschbach, Norbert & Keller, Jonas & Mehlstäubler, Tanja. (2013). A high-precision segmented Paul trap with minimized micromotion for an optical multiple-ion clock. Applied Physics B. 1 14. 10.1007 / S00340-013-5580-5.
  • inductors manufactured as ready-to-buy components generally do not have sufficient qualities and therefore do not allow an oscillating circuit (resonator) built with them, especially not in the field of power electronics.
  • oscillating circuit resonator
  • conductors with a high surface area, ie 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, must be used become. Accordingly, it is a non-trivial problem, an equally good one or to find a better alternative, although air coils can only be made from copper wires up to finger-thick by hand and with considerable manufacturing tolerances.
  • 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 arise 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 adequate solutions that have already been researched that they are irrelevant to this article.
  • this endeavors to provide a large ion trap which is understood to mean providing long distances along which ions can be trapped.
  • a large ion trap will have a large capacity, which would lead to unrealizable large currents and outputs if they were fed from a single source.
  • a supply from several of the known resonance transformers is difficult to imagine because their manufacturing tolerances would generally not allow them to be operated in synchronism with one another, that is to say at the same frequency and with the correct phase.
  • WO 2015/128438 A1 discloses a system for capturing charged or polar particles with a cryostat and a surface electrode trap for capturing charged or polar particles.
  • the surface electrode trap includes a silicon substrate with a front and a back. Planar electrodes are formed on the front of the silicon substrate and are designed to generate a trapping potential for trapping the charged or polar particles over the planar electrodes.
  • the planar electrodes include a first radio frequency electrode that extends substantially parallel to and adjacent to the front surface of the substrate, and electrically isolated from, the first high frequency electrode.
  • the surface electrode trap is arranged in the cryostat and the cryostat is set up to cool the surface electrode trap at or below a temperature of 150 K.
  • US 201 1/0290995 A1 discloses an apparatus and method for capturing charged particles and for performing controlled interactions between them.
  • the device includes a substrate and RF electrodes and dedicated DC electrodes arranged and configured on the substrate to generate a capture potential for capturing the charged particles over the substrate.
  • the RF and dedicated DC electrodes include at least one RF capture electrode configured to operate with an RF voltage to contribute to capture potential, an array of two or more capture site DC electrodes configured to they are biased with a DC voltage to contribute to the trapping potential and a first individually controllable RF control electrode arranged between a first pair of the two or more trapping point DC electrodes.
  • the first RF control electrode is configured to be individually driven by an adjustable RF voltage so that the trapping potential across and between the first pair of trapping DC electrodes forms separate charge particle traps that are designed to trap charged particles therein when the adjustable RF voltage takes a first value and forms a charged particle interaction trap suitable for performing controlled interactions between charged particles when the adjustable RF voltage takes a second value.
  • the predetermined phase and the predetermined period are predetermined so that when the ion trapping RF voltage is stopped at the predetermined phase and the predetermined period has passed, the voltage of the at least one of the electrodes to which the ion trapping voltage is generated , regardless of the amplitude of the RF ion capture voltage when stopped, becomes an almost fixed value. So the initial varies kinetic energy of the ejected ions does not match the amplitude of the ion input postential before it is ended, and an accurate determination of the mass-to-charge ratio of the ions is made possible.
  • 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 in at least 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.
  • 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 is advantageously eliminated according to the invention.
  • the parasitic capacitance of the vacuum bushing generates a high apparent power, which in turn results in high currents and thick cables. Due to the fact that the resonant circuit is arranged within the vacuum chamber, the total energy requirement of the ion trap is lower.
  • the resonant circuit arranged within the vacuum chamber has advantages in terms of the length of the lines, but furthermore, because thinner cables are possible, a further miniaturization of the ion trap is possible.
  • the resonant circuit and electronic control of the actual ion trap are 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.
  • the 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.
  • the ion trap is designed to keep ions of an effective temperature with at most 1 K within the vacuum chamber.
  • Charged, in particular singly charged, hydrogen-like ions are preferably kept within the vacuum chamber.
  • Simply charged calcium ions are particularly preferred.
  • the effective temperature is the temperature at which a physical degree of freedom in thermal equilibrium has an average energy which corresponds to the kinetic and potential energy of a degree of freedom of movement of one or more ions in the ion trap. Since this can differ for the different degrees of freedom of movement, the one that takes the lowest value is chosen as the effective temperature for the sake of clarity. With a technically clever design, this usually corresponds, but not necessarily, to the degree of freedom of movement, the residual movement of which most critically limits the function of the device implemented by means of the ion trap. In the preferred embodiment, an effective temperature of below or also considerably below 1 K is achieved with laser-optical means, for example and without being limited to it, by means of the method disclosed in the patent US Pat. No. 6,684,645 B2.
  • the resonator has at least one element selected from the list consisting of: a quartz crystal, a ceramic resonator, a ceramic filter, a piezoelectric component, a surface acoustic wave filter and a MEMS component.
  • 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.
  • 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 to maintain a pressure of at most 10 10 mbar.
  • 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.
  • driver 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.
  • 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.
  • 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.
  • the amplitude of the different electrodes of the ion trap is applied differently, an adaptation of the resulting ponderomotive potential is possible, which takes into account, for example, the geometry of the arrangement.
  • the amplitude adjustment accordingly makes it possible to carry out an electronic readjustment of the electrical potential.
  • the amplitudes which are applied to the electrodes by the resonator are different.
  • the resonator is set up to compensate for a geometric manufacturing deviation of the electrodes by a choice of the amplitudes.
  • 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 because these allow higher manufacturing deviations.
  • the ion trap is designed as a linear ion trap, such that a potential along a longitudinal axis takes a minimum over a line.
  • 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.
  • the ion trap furthermore has direct current electrodes, the direct current electrodes being set up in this combination in addition to an existing ponderomotiv potential which has an attractive effect along the longitudinal axis generate attractive potential at a point, and in particular, by means of suitable control of the direct current electrodes, to bring about a displacement of the point along the longitudinal axis.
  • 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.
  • the behavior of a quadrupole, which is geometrically impossible at a crossing point, can be switched by appropriate arrangement and control of the electrodes. According to this embodiment, an approximate implementation of the ideal quadrupole is therefore 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.
  • 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.
  • the electrodes are arranged within at least two essentially parallel layers, the region that can be used to capture the ions being formed in a space between the outermost of the at least two layers.
  • 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 °.
  • the space is formed accordingly depending on the arrangement of the further layers between the outermost layers.
  • diagonally opposite regions of the outermost layers are designed as common poles and directly opposite or adjacent regions as opposite poles of the alternating voltage supply of the resonator, so that a quadrupole is formed.
  • the electrodes have a finger-like structure, each of the fingers being controllable independently by a resonator. It is also possible to simultaneously control a group of finger electrodes that are not necessarily adjacent by the same resonator.
  • 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.
  • the adjacent modules are designed such that ions can be moved between adjacent modules along the longitudinal axis or the transverse axis.
  • 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.
  • 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 drive amplitude of an AC electrode.
  • 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.
  • the object is achieved according to the invention by using a quartz crystal, a ceramic resonator, a ceramic filter, a piezoelectric component, a surface acoustic wave filter and / or a MEMS component as an electrical resonator for driving an ion trap.
  • 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.
  • a miniaturization of the drive of the ion trap is made possible, while at the same time the possibility of mass production of the ion trap is guaranteed by the simple and reliable availability of the resonators.
  • ion trap is understood to be a generic term for all devices designed to capture charged particles, in particular ions.
  • Paul trap also described as a quadrupole trap
  • ion trap itself is a back translation from English.
  • the term ion cage from the 1950s is no longer used, at least not in this context.
  • a quadrupole trap holds one or more charged particles, for example a charged atom, i.e. an ion, with an alternating electrical field in suspension. This works, although each (static) electric field can create at most one unstable equilibrium in at least one spatial direction.
  • the preferred alternating electric 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: in one spatial direction there is a trough and in (at least) a vertical direction there is a hill, 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 electrode 20 which has been cut open for better recognition in the exemplary FIG. 1, forms the opposite pole to the electrodes 10, which are both at the same potential.
  • the drive (not shown in FIG. 1) is, for example, a high-frequency and high-voltage AC voltage source, in which care must be taken in practice that such a source with low noise is used for single-ion operation in the range of the vibration frequencies of the trapped ion or ions.
  • Typical electrode spacings range from fractions of a millimeter to a few millimeters.
  • the electrodes 10, 20 should touch asymptotically.
  • FIGS. 2, 3 and 4 show examples of such deviations.
  • the electrodes 10 and 20 are designed as opposite round wires.
  • the electrodes 10 and 20 denote those electrodes to which the alternating voltage for operating the ion trap 1 is applied with opposite polarity.
  • the ion trap shown in FIG. 2 can also be classified as a linear ion trap, with ions having a suitable charge-to-mass ratio being held laterally so that they are passed on in the longitudinal direction of the electrodes 10, 20, while other charge-to-mass ratios are being filtered out become.
  • the range of the charge-to-mass ratio with which ions are held laterally can be made as small or small as desired by superimposing a suitably chosen DC voltage.
  • FIG. 4 shows schematically and by way of example another ion trap 1, which is known as a surface trap and is also used in the field of quantum computers.
  • the electrodes 10 and 20, to which the alternating voltage potential of the ion trap 1 is applied, are located on a substrate 50 in one plane.
  • the control of the DC voltage electrodes 30 can be used to hold and shift ions along the longitudinal direction L.
  • the extension of the electrodes 10, 20 in a direction perpendicular to the longitudinal direction L is, for example, in the range from 100 pm to 10 mm, in particular in the range from 100 pm to 1 mm.
  • each of the DC voltage electrodes 30 has individual DC voltage electrode sections 32 which can be controlled individually and independently of one another or in groups.
  • 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.
  • the opposite poles of the AC circuit, electrodes 10 and 20 are formed as a result as in the linear arrangement shown in FIG. 2.
  • the electrodes 10, 20 are formed with fingers 12, 22, between which there are spaces 14 and 24, respectively.
  • Each finger 12 or 22 of the finger-like electrodes 10, 20 can be controlled independently and thus enables particularly precise control of the potential formed in the space between the electrodes 10, 20.
  • the most powerful 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 electrode cooling to cryogenic temperatures. In the project relevant to this document it is limited to about 1 quantum per second by choosing a relatively large ion trap with minimum distances between ions and electrodes of about 500 gm. Typical for the mostly significantly smaller surface traps often used for ion trap-based quantum computer experiments are heating rates in the order of 1000 quanta per second.
  • FIG. 6 schematically and by way of example shows a circuit diagram of a conventional drive 80 for an ion trap 1.
  • a signal generator 82 generates an alternating voltage, which is amplified by an amplifier 84 and in an resonance transformer 86, which is to be regarded as two coupled inductors, impedance-converted and filtered.
  • the actual area of the ion trap 1, in which the ions are ultimately trapped, is shown here with an equivalent circuit diagram, a capacitor 2.
  • FIG. 7 shows schematically and by way of example a circuit of an ion trap 1 according to the invention which is driven by a modified resonator 100.
  • the resonator 100 comprises an oscillating circuit 110, which is arranged in particular within the vacuum chamber 4.
  • the concept on which the invention is based is accordingly that the resonator 100 is integrated into the vacuum, in particular the ultra-high vacuum. This allows long lines and the associated capacities to be saved, so that compared to the ion traps 1 known hitherto, reactive power is reduced by about an order of magnitude.
  • the resonator 100 in particular has a quartz crystal, a ceramic resonator, a ceramic filter, a piezoelectric component, a surface acoustic wave filter and / or a MEMS component.
  • the resonator 100 is fed by a high-voltage driver 120 via a capacitor 130.
  • the supply from the high-voltage driver 120 by means of the capacitor 130 is only to be understood as a possible implementation, but not as a necessary implementation.
  • the previously used resonance transformers are replaced by one of the described resonant circuits 100, which are arranged within the vacuum chamber 4.
  • the driver which otherwise operates at a low voltage, is preferably designed as a high-impedance and high-voltage driver.
  • the requirement for an electrical circuit within the vacuum chamber 4 means a deteriorated control over the magnetic field there, because almost all commercially available electronic components contain a diffusion barrier made of the ferromagnetic metal nickel (and the other problems with the reliability and durability of soldered connections).
  • the setting of a desired magnetic field is important for many laser spectroscopic investigations on ions or atoms and very important for the correct function, for example of a quantum computer, so that for this an actuator for the magnetic field is preferably provided, particularly preferably also within the vacuum chamber 4.
  • 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 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.
  • 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, that is, they receive less kinetic energy, on average even after they have emitted (emitted) a corresponding photon.
  • this process can take place roughly about 10 million times per second. 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 reduced further by means of tricks, including sideband cooling. “Seeing” is in quotation marks, because in some cases this may be possible, but one usually uses very sensitive detectors, often even single-photon detectors.
  • each individual ion trap preferably has additional electrodes 30 with direct current electrode sections 32 which are driven with direct current (or almost direct current).
  • Such direct current electrodes 30 can also be used to move ions.
  • the preferred embodiment for this is a so-called linear ion trap, cf. the description of FIGS. 4 and 5, in which the ponderomotive potential is zero not only at one point but along an entire line (in mathematician: it disappears on this line). Then it can be ensured by means of direct current electrodes 30 that it is nevertheless kept at one point along this line (the Earnshaw theorem merely states that this does not work in all spatial directions by means of direct current fields).
  • an independent potential can be applied to each of the DC voltage electrode sections 32.
  • it can be considered to apply several of the DC voltage electrode sections 32 to the same potential, for example by connecting them to a DC voltage supply.
  • the individual control of individual electrodes 10, 20 of a linear ion trap 1 makes it possible in principle, instead of mechanically arranging the electrodes 10, 20, 30, to translate their actual arrangement into a suitable control. This means that they no longer have to be positioned precisely, but only have to be controlled appropriately, that is to say in particular controlled with the appropriate amplitude.
  • This effect is used according to the invention in order to obtain a measure of how much an ion feels a potential threshold of the ponderomotive potential. It will be useful to be able to select this additional heating rate (and thus the measuring range) appropriately. This is possible if an intentional, additional AC voltage that matches the ion's vibration frequency is fed into the ion trap drive AC voltage.
  • 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.
  • the bottom line is that a (repeated) measurement not only makes it possible to determine how much an ion is exposed to a potential threshold of the ponderomotive potential (or rather the alternating field that generates it), but also in which direction of the change in control parameter an improvement can be achieved.
  • the amplitude of the electrodes 10, 20 driven by alternating current is preferably to be selected as the parameter. This is also called a gradient descent optimization method. Almost optimal ponderomotive potentials for normal movement of ions, movement beyond ion trap module boundaries, and movement through crossing points should thus be achieved.
  • a comparable method which is sensitive to magnetic fields, is used to compensate for magnetic fields along the movement of ions.
  • Each of the ion trap modules 300 can, for example, the electrode arrangement of the ion trap 1, as shown schematically in FIG. 5, and the electronic ronic arrangement, as shown schematically in Fig. 7, correspond.
  • the consequence of the compensation of magnetic fields along the movement of ions is that even ion trap modules 300 that are mechanically poorly matched can be made electrically matched.
  • This makes it possible to assemble ion trap modules 300 not only directly next to one another, but also at right angles or with different geometries to one another. This does not mean the joining with which flow continues around a corner, i.e. a rotation of about 90 ° along a joining edge, but rather a rotation of about 90 ° or another value along the linear path L along which the ions can be moved.
  • Each of the ion trap modules 300 has, for example, the finger-like electrode structure, that is to say, for example, that the substrate material is milled away in the area shown as a comb.
  • each of the ion trap modules 300 has electronic components 310, 320 and 330 which, for example, integrate the resonator 100 of the ion trap 1.
  • ion trap modules 300 The entire arrangement of ion trap modules 300 is in a vacuum, that is to say inside the vacuum chamber 4. For better visibility, optical components are omitted in FIG. 8, as in the other figures.
  • FIG. 9 schematically and exemplarily shows a perspective view of the geometry of the linear ion trap 1.
  • an electrical circuit for driving ion traps 1 for laser spectroscopy on single ions will be proposed in particular.
  • the associated circuit is based on an electrical resonator, which is necessary, among other things, to suppress electrical noise (a resonator amplifies vibrations in the resonance range and suppresses all other vibrations). Without this suppression, individual ions would be exposed to an increased so-called heating rate: yours for laser spectroscopic applications Usually technically suppressed (“laser-cooled”) vibration movement in the ion trap would increase more than is technically possible without action.
  • bare resonators are actually used for small signal applications, for example quartz crystals, ceramic filters, piezoelectric components or surface acoustic wave filters.
  • the expected accuracy in the resonance frequency enables a multitude of new applications.
  • 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.
  • the invention therefore achieves the object of providing a small, electrical circuit for the production of ion traps that can be mass-produced, noise-filtering and power-recycling through resonance, and to disclose methods for successful use.
  • 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.
  • An additional object of the invention is to provide a way 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.
  • 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.
  • 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 being switched between two electrodes fed in alternating phase with alternating voltage.
  • 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 fulfills the object of the invention; Expediently, this ion trap drive can in turn be driven by an external circuit which is, for example, capacitively coupled or connected via a capacitive voltage divider.
  • the frequency can be adjusted or readjusted to the currently reached amplitude.
  • an RC element with a very long time constant in which the capacitance is wholly or partly formed by the parasitic capacitance of the ion trap, is connected to the ungrounded ion trap electrode.
  • Example 1 The use of at least one quartz crystal as a resonator to drive an ion trap to filter drive noise, achieve a reduction in performance 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.
  • 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.
  • Example 3 The use of at least one surface acoustic wave filter as a resonator to drive an ion trap, to filter drive noise, to reduce the performance 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.
  • 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 performance of the drive, or both, this resonator being connected directly or indirectly by means of one or more electrical capacities or other electrical components Electrodes of an ion trap is connected.
  • 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 a reduction in performance of the drive, or both, this resonator being directly or indirectly by means of one or more electrical Capacities or other electrical components are connected to electrodes of an ion trap.
  • Example 6 The use of an RC low-pass filter with a resistance greater than one megohm, whereby the capacitance can be eliminated or can only be formed by parasitic capacitance, on an ion trap electrode operated with AC voltage on a resonator, in order to achieve a desired DC voltage or in comparison to the ion trap drive AC voltage, only slowly changing voltage to be applied as an offset to this AC drive voltage.
  • 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.
  • 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.
  • Example 9 An electrical control of a resonator which is used to drive an ion trap and whose resonance frequency is recognizable in its resonance frequency, the frequency of the control of the resonance frequency either being 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 drives through.

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Abstract

The present invention relates to an ion trap (1) and to 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) which are designed to generate an electric field which has at least in one region an attractive ponderomotive potential, an electric resonator (100) and a vacuum chamber (4). The electric resonator (100) is designed to supply electrodes (10, 12, 20, 22) of the ion trap (1) with an alternating voltage, wherein the electric resonator (100) has an oscillating circuit (110), the oscillating circuit (110) being arranged inside the vacuum chamber (4).

Description

lonenfalle, Verfahren zum Regeln der lonenfalle und Verwendungen als Antrieb einer lonenfalle  Ion trap, method for regulating the ion trap and uses to drive an ion trap
Die vorliegende Erfindung betrifft eine lonenfalle, ein Verfahren zum Kalibrieren eines Wechselspannungsfeldes einer lonenfalle sowie Verwendungen zum Antrieb einer lonen- falle. The present invention relates to an ion trap, a method for calibrating an AC voltage 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 lonenfalle des auch als Paulfalle bekannten Typs unabhängig von ihrer geometrischen Ausführung betrieben wird und eine zugehörige lonenfalle. Insbeson- dere betroffen sind solche lonenfallen, 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 an associated one ion trap. Those 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 lonenfallen bisher beispielsweise von Resonanztransformatoren aus handgewickelten Kupferluftspulen in Kupf- erzylindern angetrieben. Der gemeinte Aufbau wird als“helical resonator” bezeichnet und beispielsweise vom folgenden Fachartikel beschrieben: Siverns, J.D., Simkins, L.R., Weidt, S. et al. Appl. Phys. B (2012) 107: 921. Als“tank Circuit” beschrieben taucht ein ähnlicher Resonator auch beispielsweise in der Patentanmeldung EP 1 509 943 A2 auf. Ferner ist es aus der veröffentlichten Patentanmeldung US 2012/01 12056 A1 bekannt, zumindest bei niedriger Frequenz betriebene lonenfallen auch mit einem LC-Resonator aus massengefertigten Komponenten (Spule und Kondensator) aufzubauen, was ebenfalls als „tank Circuit“ bezeichnet wird. Diese Art der Ansteuerung hat für die vorliegende Anwendung den Nachteil einer geringeren Strombelastbarkeit und einer geringeren Güte, was den im Folgenden beschriebenen Vorteil einer Ansteuerung mittels sogenannter„tank cir- cuits“ begrenzt. In laser spectroscopic applications in particular, ion traps have been driven, for example, by resonance transformers made from hand-wound copper air coils in copper cylinders. The intended structure is referred to as a “helical resonator” and is described, for example, by the following technical article: Siverns, JD, Simkins, LR, Weidt, S. et al. Appl. Phys. B (2012) 107: 921. Described as a “tank circuit”, a similar resonator also appears, for example, in patent application EP 1 509 943 A2. Furthermore, it is known from the published patent application US 2012/01 12056 A1 to build ion traps operated at least at low frequency with an LC resonator from mass-produced components (coil and capacitor), which is also referred to as a “tank circuit”. For the present application, this type of control has the disadvantage of a lower current carrying capacity and a lower quality, which limits the advantage described below of control using so-called “tank circuits”.
Die Ansteuerung mittels eines Resonanzschwingkreises hat den Vorteil, störendes, elektrisches Rauschen jenseits der Antriebsfrequenz auszufiltern und die aufgrund der parasitären Kapazitäten der lonenfalle und üblicherweise verwandten Vakuumdurchführungen in den Bereich der Leistungselektronik gehende Antriebsleistung zu verringern. The control by means of a resonant resonant circuit has the advantage of filtering out disturbing electrical noise beyond the drive frequency and of reducing the drive power that goes into the field of power electronics due to the parasitic capacitances of the ion trap and the commonly used vacuum feedthroughs.
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 lonenfallenelektroden 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 lonenfalle betrieben wird, wie die veröffentlichte Patentanmeldung US 2017/0186595 A1 offenbart. It is possible to measure and regulate the amplitude of the voltage thus applied to the ion trap electrodes. So far this is only known in the obvious embodiment that the voltage sensor is located outside the vacuum chamber in which the ion trap is operated, as disclosed in the published patent application US 2017/0186595 A1.
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 lonenfalle betrieben wird, befinden. Letzteres wurde beschrieben in Pyka, Karsten & Herschbach, Norbert & Keller, Jonas & Mehlstäubler, Tanja. (2013). A high-precision segmented Paul trap with minimized micromotion for an optical multiple-ion clock. Applied Physics B. 1 14. 10.1007/S00340-013-5580-5. Other electrodes can be connected to a DC potential. It is state of the art to use an RC low-pass filter for filtering the voltage noise for these electrodes, but not for the electrodes with alternating voltage potential. This low pass can be located outside or inside the vacuum chamber in which the ion trap is operated. The latter was described in Pyka, Karsten & Herschbach, Norbert & Keller, Jonas & Mehlstäubler, Tanja. (2013). A high-precision segmented Paul trap with minimized micromotion for an optical multiple-ion clock. Applied Physics B. 1 14. 10.1007 / S00340-013-5580-5.
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 hersteilen lassen. lonenfallenbasierte Quantencomputer beruhen üblicherweise auf dem Vorhaben, Ionen in einer großen lonenfalle 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 lonenfalle bereitstellt, wobei eine große lonenfalle derart verstanden wird, dass sie lange Strecken, entlang denen Ionen gefangen gehalten werden können, bereitstellt. 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 an oscillating circuit (resonator) built with them, especially not in the field of power electronics. To enable low losses and thus high quality, conductors with a high surface area, ie 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, must be used become. Accordingly, it is a non-trivial problem, an equally good one or to find a better alternative, although air coils can only be made from copper wires up to finger-thick by hand and with considerable manufacturing tolerances. 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 arise, 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 adequate 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 providing long distances along which ions can be trapped.
Eine große lonenfalle 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, which would lead to unrealizable large currents and outputs 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 in synchronism with one another, 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 Lekitsch, Bjoern & Weidt, Sebastian & Fowler, Austin & Molmer, Klaus & J. Devitt, Simon & Wunderlich, Christof & Hensinger, W. (2017). Blueprint for a microwave trapped ion quantum Computer. Science Advances. 3. e1601540. 10.1 126/sci- adv.1601540.. Die Idee ist eine, wenngleich geringfügige, Miniaturisierung der bekannten Kupferluftspulen und Kopplung mit einstellbaren Trimmkondensatoren, mit denen die Resonanzfrequenz eingestellt werden kann. This problem has a published but hitherto unrealized solution in the scientific article Lekitsch, Bjoern & Weidt, Sebastian & Fowler, Austin & Molmer, Klaus & J. Devitt, Simon & Wunderlich, Christof & Hensinger, W. (2017). Blueprint for a microwave trapped ion quantum computer. Science Advances. 3. e1601540. 10.1 126 / sci- adv.1601540 .. The idea is a, albeit minor, miniaturization of the well-known copper air coils and coupling with adjustable trim capacitors with which the resonance frequency can be set.
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 lonenfalle 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 required 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.
WO 2015/128438 A1 offenbart ein System zum Einfangen geladener oder polarer Teilchen mit einem Kryostaten und einer Oberflächenelektrodenfalle zum Fangen von geladenen oder polaren Partikeln. Die Oberflächenelektrodenfalle umfasst ein Siliziumsubstrat mit einer Vorderseite und einer Rückseite. Auf der Vorderseite des Siliziumsubstrats sind planare Elektroden ausgebildet, die ausgebildet sind, ein Einfangpotential zum Einfangen der geladenen oder polaren Partikel über den planaren Elektroden zu erzeugen. Die planaren Elektroden umfassen eine erste Radiofrequenzelektrode, die sich im Wesentlichen parallel zu der vorderen Oberfläche des Substrats erstreckt und angrenzend an, und elektrisch isoliert von, der ersten Hochfrequenzelektrode ist. Die Oberflächenelektrodenfalle ist im Kryostaten angeordnet und der Kryostat ist zur Kühlung der Oberflächenelektrodenfalle auf oder unter eine Temperatur von 150 K eingerichtet. WO 2015/128438 A1 discloses a system for capturing charged or polar particles with a cryostat and a surface electrode trap for capturing charged or polar particles. The surface electrode trap includes a silicon substrate with a front and a back. Planar electrodes are formed on the front of the silicon substrate and are designed to generate a trapping potential for trapping the charged or polar particles over the planar electrodes. The planar electrodes include a first radio frequency electrode that extends substantially parallel to and adjacent to the front surface of the substrate, and electrically isolated from, the first high frequency electrode. The surface electrode trap is arranged in the cryostat and the cryostat is set up to cool the surface electrode trap at or below a temperature of 150 K.
US 201 1/0290995 A1 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Einfangen geladener Teilchen und zum Durchführen kontrollierter Wechselwirkungen zwischen ihnen. Die Vorrichtung umfasst ein Substrat und HF-Elektroden und dedizierte Gleichstromelektroden, die auf dem Substrat angeordnet und konfiguriert sind, um ein Einfangpotential zum Einfangen der geladenen Partikel über dem Substrat zu erzeugen. Die HF- und dedizierten Gleichstromelektroden umfassen mindestens eine HF-Einfangelektrode, die so konfiguriert ist, dass sie mit einer HF-Spannung betrieben wird, um zum Einfang potential beizutragen, eine Anordnung von zwei oder mehr Einfangstellen-Gleichstromelektroden, die so konfiguriert sind, dass sie mit einer Gleichspannung vorgespannt sind, um zum Einfangpotential beizutragen, und eine erste individuell ansteuerbare HF-Steuerelektrode, die zwischen einem ersten Paar der zwei oder mehr Einfangstellen-Gleichstromelektroden angeordnet ist. Die erste HF-Steuerelektrode ist so konfiguriert, dass sie individuell durch eine einstellbare HF-Spannung angesteuert wird, so dass das Einfangpotential über und zwischen dem ersten Paar von Einfangstellen-Gleichstromelektroden separate Ladungsteilchenfallen bildet, die dazu ausgelegt sind, geladene Teilchen darin einzufangen, wenn die einstellbare HF- Spannung einen ersten Wert annimmt und eine Ladungsteilchen-Wechselwirkungsfalle ausbildet, die zum Durchführen kontrollierter Wechselwirkungen zwischen geladenen Teilchen geeignet ist, wenn die einstellbare HF-Spannung einen zweiten Wert annimmt. US 201 1/0290995 A1 discloses an apparatus and method for capturing charged particles and for performing controlled interactions between them. The device includes a substrate and RF electrodes and dedicated DC electrodes arranged and configured on the substrate to generate a capture potential for capturing the charged particles over the substrate. The RF and dedicated DC electrodes include at least one RF capture electrode configured to operate with an RF voltage to contribute to capture potential, an array of two or more capture site DC electrodes configured to they are biased with a DC voltage to contribute to the trapping potential and a first individually controllable RF control electrode arranged between a first pair of the two or more trapping point DC electrodes. The first RF control electrode is configured to be individually driven by an adjustable RF voltage so that the trapping potential across and between the first pair of trapping DC electrodes forms separate charge particle traps that are designed to trap charged particles therein when the adjustable RF voltage takes a first value and forms a charged particle interaction trap suitable for performing controlled interactions between charged particles when the adjustable RF voltage takes a second value.
US 2004/0132083 A1 offenbart eine lonenfallenvorrichtung mit einem lonenfallenraum, der von einer Vielzahl von Elektroden umgeben ist; einen Flugzeit-Massenanalysator zum Bestimmen eines Masse-Ladungs-Verhältnisses von Ionen, die aus dem loneneinfangraum ausgestoßen werden; einen Einfangspannungsgenerator zum Erzeugen einer lonenein- fang-HF-Spannung an mindestens einer der mehreren Elektroden; einen Ausstoßspannungsgenerator zum Erzeugen einer Ausstoßspannung an mindestens eine der Vielzahl von Elektroden, um ein elektrisches lonenausstoßfeld zum Ausstoß von Ionen zu bilden, die in dem loneneinfangraum eingefangen sind; und eine Steuerung zum Stoppen der lo- neneinfang-HF-Spannung zu einem Zeitpunkt, zu dem Ionen in dem loneneinfangraum eingefangen werden und die loneneinfang-HF-Spannung sich in einer vorbestimmten Phase befindet, und zum Anlegen der lonenausstoßspannung für eine vorbestimmte Zeitspanne nach dem Stoppen der loneneinfang-HF-Spannung. Hierbei sind die vorbestimmte Phase und die vorbestimmte Periode vorbestimmt, so dass, wenn die loneneinfang-HF- Spannung bei der vorbestimmten Phase gestoppt wird und die vorbestimmte Periode verstrichen ist, die Spannung der mindestens einen der Elektroden, an die die loneneinfang- spannung erzeugt wird, unabhängig von der Amplitude der HF-Ioneneinfangspannung, wenn diese angehalten wird, ein nahezu fester Wert wird. Somit variiert die anfängliche kinetische Energie der ausgestoßenen Ionen nicht mit der Amplitude des loneneingangs- postentials, bevor es beendet wird, und eine genaue Bestimmung des Masse- zu-Ladungs- verhältnisses der Ionen wird ermöglicht. US 2004/0132083 A1 discloses an ion trap device with an ion trap space which is surrounded by a plurality of electrodes; a time-of-flight mass analyzer for determining a mass-to-charge ratio of ions ejected from the ion capture space; a trapping voltage generator for generating an ion trapping RF voltage at at least one of the plurality of electrodes; an ejection voltage generator for generating an ejection voltage to at least one of the plurality of electrodes to form an electric ion ejection field for ejecting ions trapped in the ion trapping space; and a controller for stopping the ion trapping RF voltage at a time when ions are trapped in the ion trapping space and the ion trapping RF voltage is in a predetermined phase and for applying the ion ejection voltage for a predetermined period after Stop the ion capture RF voltage. Here, the predetermined phase and the predetermined period are predetermined so that when the ion trapping RF voltage is stopped at the predetermined phase and the predetermined period has passed, the voltage of the at least one of the electrodes to which the ion trapping voltage is generated , regardless of the amplitude of the RF ion capture voltage when stopped, becomes an almost fixed value. So the initial varies kinetic energy of the ejected ions does not match the amplitude of the ion input postential before it is ended, and an accurate determination of the mass-to-charge ratio of the ions is made possible.
US 2017/0221693 A1 offenbart eine lonenfallenvorrichtung mit einem Verfahren zu ihrer Herstellung, die ein Substrat, eine erste und eine zweite HF-Elektrodenschiene, eine erste und eine zweite Gleichstromelektrode auf der oberen oder unteren Seite des Substrats und einen Laserdurchgang umfasst, der mit der lonenfallenzone von der Außenseite der ersten oder zweiten Seite des Substrats verbunden ist. Das Substrat enthält eine loneneinfang- zone im Raum, die durch die durch einen Abstand in Bezug auf die Breitenrichtung der lonenfallenvorrichtung voneinander getrennte erste und zweite Seite des Substrats definiert ist. Die erste und die zweite HF-Elektrodenschiene sind in Längsrichtung der lonenfallenvorrichtung parallel angeordnet. Die erste RF-Elektrode ist auf der Oberseite der ersten Seite angeordnet, die zweite DC-Elektrode ist auf der Unterseite der ersten Seite angeordnet, die erste DC-Elektrode ist auf der Oberseite der zweiten Seite angeordnet und die zweite RF-Elektrodenschiene ist auf der Unterseite der zweiten Seite angeordnet. US 2017/0221693 A1 discloses an ion trap device with a method for its manufacture, which comprises a substrate, a first and a second HF electrode rail, a first and a second direct current electrode on the upper or lower side of the substrate and a laser passage which is connected to the ion trap zone is connected from the outside of the first or second side of the substrate. The substrate contains an ion capture zone in space defined by the first and second sides of the substrate separated by a distance with respect to the width direction of the ion trap device. The first and the second HF electrode rails are arranged in parallel in the longitudinal direction of the ion trap device. The first RF electrode is located on the top of the first side, the second DC electrode is located on the bottom of the first side, the first DC electrode is located on the top of the second side, and the second RF electrode rail is on the Bottom of the second page arranged.
Vor diesem Hintergrund war es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte lonenfalle, sowie zugehörig ein verbessertes Verfahren zum Kalibrieren eines Wechselspannungsfeldes einer lonenfalle sowie Verwendungen zum Antrieb einer lonenfalle 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 alternating voltage field of an ion trap and uses for driving an ion trap.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß in einem ersten Aspekt durch eine lonenfalle 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 lonenfalle 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 in at least 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 lonenfalle geringer. Der innerhalb der Vakuumkamnner 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 lonenfalle möglich. Insbesondere ist möglich, dass Schwingkreis und elektronische Ansteuerung der eigentlichen lonenfalle in der gleichen Größenordnung wie die Elektroden sind. Demnach ist eine nahezu unbeschränkte Aneinanderreihung von Elektroden und zugehöriger Ansteuerung im Sinne von Modulen möglich. 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 is advantageously eliminated according to the invention. The parasitic capacitance of the vacuum bushing generates a high apparent power, which in turn results in high currents and thick cables. Due to the fact that the resonant circuit is arranged within the vacuum chamber, the total energy requirement of the ion trap is lower. The resonant circuit arranged within the vacuum chamber has advantages in terms of the length of the lines, but furthermore, because thinner cables are possible, a further miniaturization of the ion trap is possible. In particular, it is possible that the resonant circuit and electronic control of the actual ion trap are 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 lonenfalle die gesamte Vorrichtung, die gebildet ist aus der eigentlichen lonenfalle, innerhalb der die Ionen gehalten werden können, und deren Ansteuerung, Wechselspannungsversorgung einschließlich Resonator und Treiber, verstanden. In this context, the 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 lonenfalle 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 singly 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 lonenfalle 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 lonenfalle 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 US 6,684,645 B2 offenbarten Verfahren. The effective temperature is the temperature at which a physical degree of freedom in thermal equilibrium has an average energy which corresponds to the kinetic and potential energy of a degree of freedom of movement of one or more ions in the ion trap. Since this can differ for the different degrees of freedom of movement, the one that takes the lowest value is chosen as the effective temperature for the sake of clarity. With a technically clever design, this usually corresponds, but not necessarily, to the degree of freedom of movement, the residual movement of which most critically limits the function of the device implemented by means of the ion trap. In the preferred embodiment, an effective temperature of below or also considerably below 1 K is achieved with laser-optical means, for example and without being limited to it, by means of the method disclosed in the patent US Pat. No. 6,684,645 B2.
In einer Ausführungsform weist der Resonator wenigstens ein Element auf, ausgewählt aus der Liste bestehend aus: ein Quarzkristall, ein keramischer Resonator, ein keramischer Filter, ein piezoelektrisches Bauelement, ein Oberflächenwellenfilter und ein MEMS-Bau- teil. In one embodiment, the resonator has at least one element selected from the list consisting of: a quartz crystal, a ceramic resonator, a ceramic filter, a piezoelectric component, a surface acoustic wave filter and a MEMS component.
Als eine Folge der erfindungsgemäßen Anordnung ist es möglich, Resonatoren mit wesentlich geringerer Leistungsaufnahme vorzusehen, als dies bei herkömmlichen lonenfal- len 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 to be expected, a correspondingly low specification being sufficient to guarantee the accuracy.
In einer Ausführungsform ist der elektrische Resonator dazu eingerichtet, Elektroden der lonenfalle 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 106 mbar und 10 12 mbar und besonders bevorzugt einen Druck von höchstens 10 10 mbar aufrechtzuerhalten. In einer Ausführungsform weist die lonenfalle einen Treiber auf, der dazu eingerichtet ist, den elektrischen Resonator anzutreiben und als Hochimpedanz- und/oder Hochspannungstreiber ausgebildet ist. 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 to maintain a pressure of at most 10 10 mbar. 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 lonenfallenantriebs 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 Ele- ment 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 lonenfalle ferner einen Regelkreis zur Amplitudensta- bilisierung der Spannung über Elektroden der lonenfalle 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 lonenfalle innerhalb der Vakuumkammer erzeugt. Nachdem der Regelkreis ein spannungsempfindliches Element umfasst, das innerhalb der Vakuumkammer angeordnet ist, beziehungsweise die Antriebsfrequenz der lonenfalle 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 lonenfalle besonders präzise und stabil ausgebildet ist, sodass die Ionen innerhalb der lonenfalle besonders zuverlässig gehalten werden können. In einer Ausführungsform ist der Resonator dazu eingerichtet, die Elektroden der lonenfalle mit identischer Frequenz und gleicher oder entgegengesetzter Phase, jedoch mit voneinander unterschiedlichen Amplituden zu beaufschlagen. In one embodiment, the drive frequency of the ion trap is generated within the vacuum chamber. 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 The result of the electrodes or the generation of the drive frequency is that the ponderomotive potential within the ion trap is particularly precise and stable, so that the ions within the ion trap can be held particularly reliably. 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 lonenfalle unterschiedlich beaufschlagt wird, ist eine Anpassung des entstehenden ponderomotiven Potentials mög- lieh, 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. In einer Ausführungsform ist der Resonator dazu eingerichtet, eine geometrische Fertigungsabweichung der Elektroden durch eine Wahl der Amplituden zu kompensieren. Due to the fact that the amplitude of the different electrodes of the ion trap is applied differently, an adaptation of the resulting ponderomotive potential is possible, which takes into account, for example, the geometry of the arrangement. 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 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 lonenfalle 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 because these allow higher manufacturing deviations.
In einer Ausführungsform ist die lonenfalle als lineare lonenfalle 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, such that a potential along a longitudinal axis takes a minimum over a line.
Die gemäß dieser Ausführungsform gebildete lineare lonenfalle 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 lonenfalle 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 einheit- liches 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 lonenfalle ferner Gleichstromelektroden auf, wobei die Gleichstromelektroden dazu eingerichtet sind, zusätzlich zu einem bestehenden, pondero- motivem 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 furthermore has direct current electrodes, the direct current electrodes being set up in this combination in addition to an existing ponderomotiv potential which has an attractive effect along the longitudinal axis generate attractive potential at a point, and in particular, by means of suitable control of the direct current electrodes, to bring about 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 lonenfalle 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, 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 to 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 lonenfalle 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. The behavior of a quadrupole, which is geometrically impossible at a crossing point, can be switched by appropriate arrangement and control of the electrodes. According to this embodiment, an approximate implementation of the ideal quadrupole is therefore 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 to capture 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. 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. 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, that is for capturing the ions usable area formed between the two parallel layers. In the event that more than two parallel layers are arranged, the space is formed accordingly depending on the arrangement of the further layers between the outermost layers. In one embodiment, diagonally opposite regions of the outermost layers are designed as common poles and directly opposite or adjacent regions as opposite poles of the alternating voltage supply of the resonator, so that a quadrupole is formed.
Dadurch, dass ein Quadrupolwechselfeld ausgebildet wird, wird eine Umkehrung des Vor- Zeichens 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 polarity reversal of the electrical potential, so that the associated ponderomotive potential has an attractive effect on the ions at a point between the opposite 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 controllable independently by a resonator. It is also possible to simultaneously control a group of finger electrodes that are not necessarily adjacent by the same resonator.
In einer Ausführungsform umfasst wenigstens eine der Gruppen der Finger gleichmäßig beabstandete Finger, wobei benachbarte Finger in jeweils unterschiedlichen Gruppen enthalten sind. 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, at least one of the groups of fingers comprises fingers that are evenly spaced, adjacent fingers being contained in different groups. In one embodiment, a first number of resonators is provided, each of the resonators preferably being able to control a group of several 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 lonenfalle. 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. The first number of resonators is preferably selected in such a way 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 is due to the fact that ions predominantly feel fields of the fingers in the vicinity, so that a parallel activation 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 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 which represents or contains the electrodes would disintegrate into two pieces or into a number of pieces which corresponds to the number of fingers .
In einer Ausführungsform ist der Zwischenraum wenigstens teilweise, insbesondere gänzlich, metallisiert. Dadurch kann der die lonenfallenfunktion 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 impair 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 lo- nenfalle wirkenden Potentials. In einer Ausführungsform ist die lonenfalle modular aufgebaut, insbesondere sind mehrere Elektroden und mehrere Resonatoren modular aneinander montierbar. Damit ist die lonenfalle 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 Reduk- tion des Platzbedarfes zur Folge hat, der sich dann näherungsweise in der Größenordnung der Elektroden bewegt. 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 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 such 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 lonenfalle eine Stapelung der Elektroden in drei Dimensionen und damit nicht lediglich in einer Ebene ermöglicht. Damit ist ein besonders effizienter Aufbau der lonenfalle möglich. In einer Ausführungsform sind die Module somit in drei Dimensionen stapelbar anordenbar. Gemäß einem weiteren Aspekt wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Kalibrieren eines Wechselspannungsfeldes einer lonenfalle, insbesondere einer Einzelionenfalle und besonders einer lonenfalle nach gemäß dem ersten Aspekt oder einer als Ausführungsform beschriebenen Ausgestaltung der lonenfalle gemäß dem ersten Aspekt gelöst. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf: i) Einspeisen einer Wechselspannung zum Antrieb der lonenfalle, ii) Einspeisen einer zusätzlichen Wechselspannung, die derart gewählt ist, dass sie zu einer Vibrationsfrequenz eines Ions in der lonenfalle passt, iii) Bestimmen einer erhöhten Heizrate des Ions in der lonenfalle aufgrund der zusätzlich eingespeisten Wechselspannung. 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 one embodiment, the modules can thus be stacked in three dimensions. According to a further aspect, the object is achieved according to the invention by a method for calibrating an AC voltage field of an ion trap, in particular a single ion trap and in particular an ion trap according to the first aspect or an embodiment 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 lonenaufenthaltsort 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 movement frequency, even though it is regularly a technical goal to keep this heating rate low.
Ein Ion befindet sich in einer lonenfalle in einem näherungsweise harmonischen Potential, das nur quantisierte Änderungen des Bewegungszustandes erlaubt. Gegebenenfalls sind, wenn mehrere Ionen in dem Potential der lonenfalle 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 lonenfalle ist beispielsweise eine Dopplerkühlung oder eine Seitenbandkühlung bekannt. Verfahren zur Bestimmung der effektiven Temperatur der Ionen in der lonenfalle sowie eine ausführliche Diskussion der Heizrate und der Messung der Heizrate der Ionen findet sich beispielsweise in der Dissertation von Thomas W. Deuschle mit dem Titel„Kalte lonenkristalle 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 with 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 Ein- speisens 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 drive 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 the AC voltage, feeding 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 being minimized.
Erfindungsgemäß wird durch das Verfahren demnach das Wechselspannungsfeld einer lonenfalle 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 lonenfalle 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 when a parameter is varied 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 lonenort wenig bewirkenden Elektroden, wobei dann, wenn der Gradient hinreichend klein ist, ein hinreichend guter Parameter gefunden wird. Suitable methods include, 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, and if the gradient is sufficiently small, a sufficiently good parameter is found.
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, as well as 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 Resonators, eines keramischen Filters, eines piezoelektrischen Bauelementes, eines Oberflächenwellenfilters und/oder eines MEMS-Bau- teils als elektrischen Resonator zum Antrieb einer lonenfalle gelöst. According to a further aspect, the object is achieved according to the invention by using a quartz crystal, a ceramic resonator, a ceramic filter, a piezoelectric component, a surface acoustic wave filter and / or a MEMS component as an electrical resonator for driving an ion trap.
Derartige Resonatoren sind bekannt und dadurch, dass erfindungsgemäß diese bekannten Resonatoren zum Antrieb einer lonenfalle verwendet werden, ergeben sich die mit Bezug auf die erfindungsgemäße lonenfalle beschriebenen Vorteile. Insbesondere wird eine Miniaturisierung des Antriebs der lonenfalle ermöglicht, während gleichzeitig eine Möglichkeit der Massenfertigung der lonenfallen 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, a miniaturization of the drive of the ion trap is made possible, while at the same time the possibility of mass production of the ion trap is guaranteed by the simple and reliable availability of the resonators.
In einer Ausführungsform ist der Resonator direkt oder indirekt an Elektroden der lonenfalle angeschlossen. In einer Ausführungsform ist der Resonator mittels einer oder mehrerer elektrischer Kapazitäten und/oder weiterer elektronischer Bauelemente an Elektroden der lonenfalle angeschlossen. In one embodiment, the resonator is connected directly or indirectly to electrodes of the ion trap. 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: Further advantages and special configurations are described below with reference to the attached figures. Here show:
Fig. 1 schematisch und exemplarisch eine Anordnung von Elektroden einer lonenfalle, 1 schematically and exemplarily an arrangement of electrodes of an ion trap,
Fig. 2 schematisch und exemplarisch eine Anordnung von Elektroden einer lonenfalle, 2 schematically and exemplarily an arrangement of electrodes of an ion trap,
Fig. 3 schematisch und exemplarisch eine Anordnung von Elektroden einer lonenfalle, 3 schematically and by way of example an arrangement of electrodes of an ion trap,
Fig. 4 schematisch und exemplarisch eine Anordnung von Elektroden einer lonenfalle, Fig. 5 schematisch und exemplarisch eine Anordnung von Elektroden einer lonenfalle, 4 schematically and by way of example an arrangement of electrodes of an ion trap, FIG. 5 schematically and by way of example an arrangement of electrodes of an ion trap,
Fig. 6 schematisch und exemplarisch ein Schaltbild einer bekannten lonenfalle, 6 schematically and by way of example a circuit diagram of a known ion trap,
Fig. 7 schematisch und exemplarisch ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen lonenfalle, 7 schematically and by way of example a circuit diagram of an ion trap according to the invention,
Fig. 8 schematisch und exemplarisch eine Anordnung mehrerer lonenfallenmodule und 8 schematically and exemplarily an arrangement of several ion trap modules and
Fig. 9 schematisch und exemplarisch eine perspektivische Ansicht der Geometrie der line- aren lonenfalle. 9 schematically and by way of example 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 “lonenkäfig” erfundene Quadrupol(io- nen)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 cannot be done with the usual potentials (gravity, electrical and - with the exception of diamagnets and the ideal diamagnets and superconductors - magnetic forces) static (unchanged in time) ) Arranges. One of the known ways out is the quadrupole (ion) trap originally invented as an “ion cage”, which is also called the Paul trap after its inventor.
In dem Kontext dieser Patentanmeldung wird mit dem Begriff „lonenfalle“ ein Oberbegriff sämtlicher zum Einfangen von geladenen Teilchen, insbesondere Ionen, ausgebildeten Vorrichtungen verstanden. Neben der oben beschriebenen auch als Quadrupolfalle be- zeichneten„Paulfalle“ gibt es unter anderem noch eine andere, verbreitete Art von lonen- fallen, nämlich die Penningfalle. Der Begriff lonenfalle selbst ist eine Rückübersetzung aus dem Englischen. Der Begriff lonenkäfig aus den 1950ern wird heute nicht mehr verwendet, zumindest nicht in diesem Zusammenhang. 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. 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, at least not in this context. A quadrupole trap holds one or more charged particles, for example a charged atom, i.e. an ion, with an alternating electrical field in suspension. 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 lonenfalle 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 alternating electric 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: in one spatial direction there is a trough and in (at least) a vertical direction there is a hill, 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.
Fig. 1 zeigt schematisch und exemplarisch eine lonenfalle 1 mit hyperboloidförmigen Elektroden 10, 20. Die Elektrode 20, die zur besseren Erkennbarkeit in der beispielhaften Fig. 1 aufgeschnitten ist, bildet den Gegenpol zu den Elektroden 10, die beide auf demselben Potential liegen. Der (in Fig. 1 nicht gezeigte) Antrieb ist beispielsweise eine Hochfrequenz und Hochspannungswechselspannungsquelle, bei der in der Praxis darauf zu achten ist, dass zum Einzelionenbetrieb eine derartige Quelle mit niedrigem Rauschen in dem Bereich der Vibrationsfrequenzen des oder der gefangenen Ionen zum Einsatz kommt. Typische Elektrodenabstände liegen im Bereich von Bruchteilen von Millimetern bis hin zu wenigen Millimetern. Idealisiert sollen sich die Elektroden 10, 20 asymptotisch berühren. 1 shows schematically and by way of example an ion trap 1 with hyperboloid-shaped electrodes 10, 20. The electrode 20, which has been cut open for better recognition in the exemplary FIG. 1, forms the opposite pole to the electrodes 10, which are both at the same potential. The drive (not shown in FIG. 1) is, for example, a high-frequency and high-voltage AC voltage source, in which care must be taken in practice that such a source with low noise is used for single-ion operation in the range of the vibration frequencies of the trapped ion or ions. Typical electrode spacings range from fractions of a millimeter to a few millimeters. Ideally, the electrodes 10, 20 should touch asymptotically.
Wohl experimentell wurde jedoch entdeckt, dass auch Abweichungen von dem Quadrupolfeld für lonenfallen 1 geeignet sind. Die nachfolgenden Figuren 2, 3 und 4 zeigen Beispiele derartiger Abweichungen. In Fig. 2 sind die Elektroden 10 und 20 als gegenüberliegende runde Drähte ausgeführt. Hier und nachfolgend werden mit den Elektroden 10 und 20 diejenigen Elektroden bezeichnet, an denen jeweils entgegengesetzt gepolt die Wechselspannung zum Betrieb der lo- nenfalle 1 angelegt wird. Die in Fig. 2 gezeigte lonenfalle kann auch als lineare lonenfalle klassifiziert werden, wobei Ionen mit einem geeigneten Ladungs-zu-Massenverhältnis seitlich gehalten werden, sodass sie in der Längsrichtung der Elektroden 10, 20 weitergeleitet werden, während andere Ladungs-zu-Massenverhältnisse ausgefiltert werden. Der Bereich des Ladungs-zu-Massenverhältnis, mit dem Ionen seitlich gehalten werden, kann durch Überlagern einer geeignet gewählten Gleichspannung beliebig schmal bzw. klein gemacht werden. However, it was discovered experimentally that deviations from the quadrupole field are also suitable for ion traps 1. The following FIGS. 2, 3 and 4 show examples of such deviations. In Fig. 2 the electrodes 10 and 20 are designed as opposite round wires. Here and below, the electrodes 10 and 20 denote those electrodes to which the alternating voltage for operating the ion trap 1 is applied with opposite polarity. The ion trap shown in FIG. 2 can also be classified as a linear ion trap, with ions having a suitable charge-to-mass ratio being held laterally so that they are passed on in the longitudinal direction of the electrodes 10, 20, while other charge-to-mass ratios are being filtered out become. The range of the charge-to-mass ratio with which ions are held laterally can be made as small or small as desired by superimposing a suitably chosen DC voltage.
Fig. 3 zeigte schematisch und exemplarisch eine Anordnung von Elektroden 10, 20 einer lonenfalle 1 , die auch als Endkappenfalle bezeichnet wird. Ein Vorteil dieser Anordnung, bei der beide Pole der Wechselspannung an je zwei Elektroden 10, 20 anliegen, ist ein besserer optischer Zugang, beispielsweise für Laserspektroskopie-Anwendungen. 3 shows schematically and by way of example an arrangement of electrodes 10, 20 of an ion trap 1, which is also referred to as an end cap trap. An advantage of this arrangement, in which both poles of the AC voltage are applied to two electrodes 10, 20, is better optical access, for example for laser spectroscopy applications.
Fig. 4 zeigt schematisch und exemplarisch eine weitere lonenfalle 1 , die als Oberflächenfalle bekannt ist und auch im Bereich von Quantencomputern zum Einsatz kommt. Auf einem Substrat 50 befinden sich in einer Ebene die Elektroden 10 und 20, an die das Wechselspannungspotential der lonenfalle 1 angelegt wird. Zusätzlich befinden sich, gezeigt radial außerhalb der linear verlaufenden Elektroden 10, 20, Gleichspannungselektroden 30. Die Ansteuerung der Gleichspannungselektroden 30 kann dazu verwendet werden, Ionen entlang der Längsrichtung L festzuhalten und zu verschieben. Die Ausdehnung der Elektroden 10, 20 in eine Richtung senkrecht auf der Längsrichtung L ist beispielsweise im Bereich von 100 pm bis 10 mm, insbesondere im Bereich von 100 pm bis 1 mm. Hierzu weist jede der Gleichspannungselektroden 30 einzelne Gleichspannungselektrodenabschnitte 32 auf, die einzeln und unabhängig voneinander bzw. in Gruppen angesteuert werden können. 4 shows schematically and by way of example another ion trap 1, which is known as a surface trap and is also used in the field of quantum computers. The electrodes 10 and 20, to which the alternating voltage potential of the ion trap 1 is applied, are located on a substrate 50 in one plane. In addition, shown radially outside of the linear electrodes 10, 20, there are DC voltage electrodes 30. The control of the DC voltage electrodes 30 can be used to hold and shift ions along the longitudinal direction L. The extension of the electrodes 10, 20 in a direction perpendicular to the longitudinal direction L is, for example, in the range from 100 pm to 10 mm, in particular in the range from 100 pm to 1 mm. For this purpose, each of the DC voltage electrodes 30 has individual DC voltage electrode sections 32 which can be controlled individually and independently of one another or in groups.
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.
Fig. 5 zeigt schematisch und exemplarisch eine lonenfalle 1 , die nachfolgend auch als Sandwichfalle bezeichnet werden, weil zwei in Elektroden strukturierte Oberflächen sich gegenüberliegend die lonenfalle 1 ausbilden. Die Anzahl der in Elektroden strukturierte Oberflächen ist natürlich nicht auf zwei beschränkt und auch mehrere Schichten sind vorstellbar, so dass auch allgemeiner von einer tiefen Mehrschichtfalle gesprochen werden kann. 5 schematically and by way of example shows an ion trap 1, which is also referred to below as a sandwich trap, because two surfaces structured in electrodes form the ion trap 1 on the opposite side. The number of structured in electrodes Surfaces are of course not limited to two and several layers are also conceivable, so that one can also speak more generally of a deep multilayer trap.
In dieser Anordnung sind die Gegenpole der Wechselspannungsbeschaltung, die Elektroden 10 und 20, im Ergebnis wie in der linearen Anordnung, die in Fig. 2 gezeigt ist, ausgebildet. Darüber hinaus sind die Elektroden 10, 20 mit Fingern 12, 22 ausgebildet, zwischen denen sich Zwischenräume 14, bzw. 24 befinden. Jeder Finger 12, bzw. 22 der fingerartigen Elektroden 10, 20 kann unabhängig angesteuert werden und ermöglicht damit eine besonders präzise Steuerung des in dem Zwischenraum zwischen den Elektroden 10, 20 ausgebildeten Potentials. In this arrangement, the opposite poles of the AC circuit, electrodes 10 and 20, are formed as a result as in the linear arrangement shown in FIG. 2. In addition, the electrodes 10, 20 are formed with fingers 12, 22, between which there are spaces 14 and 24, respectively. Each finger 12 or 22 of the finger-like electrodes 10, 20 can be controlled independently and thus enables particularly precise control of the potential formed in the space between the electrodes 10, 20.
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 14, bzw. 24 zwischen den Fingern 12, 24 ausgefräst oder anders ausgebildet und die Oberflächen vollmetallisiert. Besonders bevorzugt werden die Finger 12 und 24 mit einer gleichen bzw. Gegenphase betrieben, wobei sich die Amplitude der angelegten Spannung unterscheidet, um eine Optimierung des entstehenden Potentials zu erreichen. Insbesondere an Kreuzungspunkten, die aus einer sich kreuzenden Längs- und Querachse gebildet sind, ist es in einigen Ausführungen vorteilhaft, bestimmte Elektroden zumindest temporär statt mit einer Gegen- mit einer Gleichphase zu betreiben. Außerdem gibt es in der Fig. 5 mit identischen Bezugsziffern bezeichnete Elektroden 10, 20, die sich jeweils diagonal gegenüberliegen, bei denen die Gleichphase in vielen Ausführungen grundsätzlich bevorzugt ist. Static electric fields have noise that is inversely proportional to the fourth power of the distance from the electrode. Large electrodes or a large distance of the electron or ion from the metal surface suppresses noise. The gaps 14 and 24 between the fingers 12, 24 are preferably milled out or configured differently and the surfaces are fully metallized. The fingers 12 and 24 are particularly preferably operated with the same or opposite phase, the amplitude of the applied voltage differing in order to optimize the potential that arises. In particular, at some points of intersection, which are formed from a crossing longitudinal and transverse axis, it is advantageous to operate certain electrodes at least temporarily instead of with an opposite phase with an in phase. In addition, in FIG. 5 there are electrodes 10, 20 which are identified by identical reference numerals and which are diagonally opposite one another, in which the same phase is fundamentally preferred in many embodiments.
Die verbreitetste Anwendung von lonenfallen sind Massenspektrometer. In Ihnen wird eine zu untersuchende Probe ionisiert und entweder in einen der schon erwähnten Massenfilter oder in eine noch traditionellere lonenfalle eingespeist. Abhängig von den verwandten Spannungen (Wechselspannung und überlagerte Gleichspannung), der Wechselspannungsfrequenz, den Abmessungen und der Geometrie der lonenfalle wird nämlich nur ein gewisser Bereich von Ladungs-zu-Massenverhältnissen in der lonenfalle 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-Massen- verhältnis 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 ponde- romotiven Potentials hinaus die detaillierte Bewegung beschreiben) heißen Mathieu-Glei- chungen. Eine grafische Darstellung mit den Regionen (oder der einen meist interessierenden Hauptregion) von Fallenparametern, bei denen Ionen oder andere Teilchen gefangen bleiben können, heißt Stabilitätsdiagramm. Unter anderem für ionenfallenbasierte Quantencomputer, beispielsweise aber auch für optische Atomuhren und ähnliche Anwendungsgebiete interessant ist eine andere Anwendung von lonenfallen: 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 lonenfalle 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): 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, ie 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 pondomotive 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. Another application of ion traps is of interest for ion trap-based quantum computers, for example, but also for optical atomic clocks and similar applications: Instead of very many ions, only single or small numbers of ions are caught. It is interested in the interaction of one or more ions with laser or microwave fields. The task of the ion trap is to keep the ion or ions well isolated from the environment in a vacuum, especially in an ultra-high vacuum. It is of particular interest to cool ions so much that (in order of decreasing residual temperature or movement of the ion or ions):
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 lonenkristall. 1. The normally 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. 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” (o- der, nach den Erfindern, Molmer-Sorensen-) Quantencomputeroperationen (oder, kurz, Quantengatter). 2. One or each individual ion moves so little that interactions with laser light are mathematically in the so-called lamb 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 well within this range). In this borderline case, so-called “warm” (or, according to the inventors, Molmer-Sorensen) quantum computer operations (or, in short, quantum gates) work.
3. Das oder die Ionen praktisch keine Restbewegung mehr aufweisen: Der quatenme- chanische 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. 3. That the ion or ions 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 lonenkühlung 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 relevantem Vorhaben sind sie durch Wahl einer relativ großen lonenfalle, bei der minimale Abständen zwischen Ionen und Elektroden von etwa 500 gm 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 most powerful 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 electrode cooling to cryogenic temperatures. In the project relevant to this document it is limited to about 1 quantum per second by choosing a relatively large ion trap with minimum distances between ions and electrodes of about 500 gm. Typical for the mostly significantly 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 Auf heizrate liefert, werden Resonatoren hoher Güte als Teil der Wechselspannungsversorgung von lonenfal- len für Einzelionenanwendungen eingesetzt. Dies wird insbesondere aus zwei Gründen für notwendig erachtet: To ensure that field fluctuations generated by electrically applied voltages ideally do not make even larger, but in any case small, additional contributions to the heating rate, high-quality resonators are used as part of the AC voltage supply for ion traps for single ion applications. This is considered necessary for two reasons in particular:
• Erstens sind die notwendigerweise gemachten Kompromisse bei den lonenfallenpa- rametern 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 lonenfallen nicht mit teilweise 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 Leis- tungsrecyceler. • First, 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 power recycler.
• 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. 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 excessive resonance 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.
Fig. 6 zeigt schematisch und exemplarisch ein Schaltdiagramm eines herkömmlichen Antriebs 80 einer lonenfalle 1. Ein Signalgenerator 82 erzeugt eine Wechselspannung, die von einem Verstärker 84 verstärkt wird und in einem Resonanztransformator 86, der als zwei gekoppelte Induktoren aufzufassen ist, impedanzgewandelt und gefiltert. Der eigentliche Bereich der lonenfalle 1 , in dem die Ionen letztlich gefangen werden, ist hier mit einem Ersatzschaltbild, einem Kondensator 2 dargestellt. 6 schematically and by way of example shows a circuit diagram of a conventional drive 80 for an ion trap 1. A signal generator 82 generates an alternating voltage, which is amplified by an amplifier 84 and in an resonance transformer 86, which is to be regarded as two coupled inductors, impedance-converted and filtered. The actual area of the ion trap 1, in which the ions are ultimately trapped, is shown here with an equivalent circuit diagram, a capacitor 2.
Eine Vakuumkammer 4 ist mit gestrichelten Linien auf der rechten Seite in der Abbildung der Fig. 6 dargestellt und umschließt jedenfalls den als Kondensator 2 dargestellten Bereich, in dem das bzw. die Ionen gefangen werden. Über eine Vakuumdurchführung 88, die aufgrund ihrer Ausgestaltung eine signifikante Kapazität hat, wird die Antriebsleistung in das Innere der Vakuumkamnner 4 geführt. A vacuum chamber 4 is shown with dashed lines on the right-hand side in the illustration in FIG. 6 and in any case encloses the area shown as capacitor 2 in which the ion or ions are trapped. Via a vacuum bushing 88, which has a significant capacity due to its design, the drive power is guided into the interior of the vacuum chamber 4.
Fig. 7 zeigt schematisch und exemplarisch einen Schaltkreis einer erfindungsgemäßen lo- nenfalle 1 , die von einem abgewandelten Resonator 100 angetrieben wird. Der Resonator 100 umfasst einen Schwingkreis 1 10, der insbesondere innerhalb der Vakuumkammer 4 angeordnet ist. Das der Erfindung zugrundeliegende Konzept besteht demnach darin, dass der Resonator 100 in das Vakuum, insbesondere das Ultrahochvakuum integriert ist. Dadurch lassen sich lange Leitungen und die damit verbundenen Kapazitäten einsparen, sodass gegenüber den bisher bekannten lonenfallen 1 eine um etwa eine Größenordnung reduzierte Blindleistung zu erwarten ist. 7 shows schematically and by way of example a circuit of an ion trap 1 according to the invention which is driven by a modified resonator 100. The resonator 100 comprises an oscillating circuit 110, which is arranged in particular within the vacuum chamber 4. The concept on which the invention is based is accordingly that the resonator 100 is integrated into the vacuum, in particular the ultra-high vacuum. This allows long lines and the associated capacities to be saved, so that compared to the ion traps 1 known hitherto, reactive power is reduced by about an order of magnitude.
Gekoppelt ist dies erfindungsgemäß damit, dass massengefertigte Schwingkreise 1 10, die normalerweise ausschließlich im Kleinsignalbetrieb verwendet werden, in dem Bereich der Leistungselektronik liegenden lonenfallenwechselspannungsversorgung verwendet werden. Insbesondere weist der Resonator 100 hierfür einen Quarzkristall, einen keramischen Resonator, einen keramischen Filter, ein piezoelektrisches Bauelement, einen Oberflächenwellenfilter und/oder ein MEMS-Bauteil auf. Der Resonator 100 wird in diesem Ausführungsbeispiel von einem Hochspannungstreiber 120 über einen Kondensator 130 gespeist. Die Speisung aus dem Hochspannungstreiber 120 mittels des Kondensators 130 ist nur als mögliche, nicht jedoch als notwendige Umsetzung zu verstehen. This is coupled, according to the invention, to the fact that mass-produced resonant circuits 110, which are normally used exclusively in small signal operation, are used in the ion trap AC power supply in the area of power electronics. For this purpose, the resonator 100 in particular has a quartz crystal, a ceramic resonator, a ceramic filter, a piezoelectric component, a surface acoustic wave filter and / or a MEMS component. In this exemplary embodiment, the resonator 100 is fed by a high-voltage driver 120 via a capacitor 130. The supply from the high-voltage driver 120 by means of the capacitor 130 is only to be understood as a possible implementation, but not as a necessary implementation.
Demnach werden die bislang üblicherweise verwendeten Resonanztransformatoren durch einen der beschriebenen Resonanzschwingkreise 100 ersetzt, die innerhalb der Vakuumkammer 4 angeordnet werden. Vorzugsweise wird der sonst bei niedriger Spannung arbeitende Treiber als Hochimpedanz und Hochspannungstreiber ausgeführt. Accordingly, the previously used resonance transformers are replaced by one of the described resonant circuits 100, which are arranged within the vacuum chamber 4. The driver, which otherwise operates at a low voltage, is preferably designed as a high-impedance and high-voltage driver.
Sollte es zu Nichtlinearitäten der Resonatoren 100 kommen, so kann sich dies beispielsweise durch eine amplitudenabhängige Resonanzfrequenz bemerkbar machen. Analog zum Vorschlag von Lekitsch et al. kann dann ein frequenzverstellendes Element sowie ein Regelkreis zur Amplitudenstabilisierung vorgesehen werden, die vorzugsweise insbesondere ebenfalls innerhalb der Vakuumkammer 4 angeordnet werden. Erfindungsgemäß wird demnach vorzugsweise ein spannungsempfindliches Element für eine derartige Amplitudenstabilisierung innerhalb der Vakuumapparatur eingebaut. If there are nonlinearities of the resonators 100, this can be noticed, for example, by an amplitude-dependent resonance frequency. Analogous to the suggestion by Lekitsch et al. a frequency-adjusting element and a control circuit for amplitude stabilization can then be provided, which are preferably also arranged in particular within the vacuum chamber 4. According to the invention, a voltage-sensitive element for such an amplitude stabilization is therefore preferably installed within the vacuum apparatus.
Die Forderung nach einem elektrischen Schaltkreis innerhalb der Vakuumkammer 4 bedeutet eine verschlechterte Kontrolle über das dort herrschende Magnetfeld, denn fast alle handelsüblichen Elektronikkomponente beinhalten eine Diffusionsbarriere aus dem ferromagnetischen Metall Nickel (und die übrigen bereiten Probleme mit der Zuverlässigkeit und Haltbarkeit von Lötverbindungen). Das Einstellen eines gewünschten Magnetfeldes ist wichtig für viele laserspektroskopischen Untersuchungen an Ionen oder Atomen und sehr wichtig für die korrekte Funktion, beispielsweise eines Quantencomputers, so dass hierfür vorzugsweise ein Stellglied für das magnetische Feld bereitgestellt wird, besonders bevorzugt ebenfalls innerhalb der Vakuumkammer 4. The requirement for an electrical circuit within the vacuum chamber 4 means a deteriorated control over the magnetic field there, because almost all commercially available electronic components contain a diffusion barrier made of the ferromagnetic metal nickel (and the other problems with the reliability and durability of soldered connections). The setting of a desired magnetic field is important for many laser spectroscopic investigations on ions or atoms and very important for the correct function, for example of a quantum computer, so that for this an actuator for the magnetic field is preferably provided, particularly preferably also within the vacuum chamber 4.
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 10, 20, deren gemeinsames Feld ein ponderomotives Potential und damit eine lonenfalle 1 ausbilden sollen, müssen phasenrichtig, also mit identischer Frequenz und mit gleicher oder gegenläufiger Phase, betrieben werden. Ein anderer Phasenbezug zwischen den Elektroden führt regelmäßig zu einer erhöhten Bewegung des oder der gefangenen Ionen, so dass beispielsweise das Erreichen des Lamb-Dicke-Bereichs erschwert oder verhindert wird. Offen ist demnach die passende Wahl der zur Ansteuerung verwendeten Amplituden. With the elements described, the setting of amplitude, frequency and phase or phase correctness between different control circuits is a control problem that can be solved with the methods customary for this field. What remains is the question of how to find the right guidelines for these values. In the phase, this is trivial: all electrodes 10, 20 operated with alternating voltage, whose common field should form a ponderomotive potential and thus an ion trap 1, must be operated in the correct phase, that is to say with an identical frequency and with the same or opposite phase. Another phase relationship between the electrodes regularly leads to an increased movement of the trapped ion or ions, so that, for example, reaching or reaching the lamb thickness range is made more difficult or prevented. Accordingly, the appropriate choice of the amplitudes used for the control is open.
Es ist üblich, einzelne (oder mehrere) Ionen zu fangen, indem man zunächst die lonenfalle 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 capture single (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 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, that is, they 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 geeigneter Wahl der Laserverstimmung auch dann noch, wenn die für das Dopplerkühlen optimale Temperatur erreicht ist. Sie entspricht bei üblichen experimentellen Parametern ganz grob 10 verbleibende Quanten jeder Bewegungsmode; durch Tricks, u.a. Seitenbandkühlen, kann sie weiter verringert werden. “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 30 mit Gleichstromelektrodenabschnitten 32, die mit Gleichstrom (oder nahezu Gleichstrom) angesteuert werden. With the transitions in the suitable ions that are usually used, this process can take place roughly about 10 million times per second. 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 reduced further by means of tricks, including sideband cooling. “Seeing” is in quotation marks, because in some cases this may be possible, but one usually uses very sensitive detectors, often even single-photon detectors. A variety of experiments and measurements are possible with this and with suitably controlled lasers; it will still be important that there is a laser spectroscopic possibility of measuring the average number of quanta of the vibration modes of an ion, the measurement assuming that there are not too many. For the optimal cooling result mentioned, it is important that the ion feels as little of the alternating field as possible. In an ideal quadrupole field, this is automatically the case if it is at the minimum of the ponderomotive potential. However, because of the possibility (and thus practical safety) of unintended electrical stray fields, this is only the case if these are shielded or compensated by an opposing field. For this purpose, each individual ion trap preferably has additional electrodes 30 with direct current electrode sections 32 which are driven with direct current (or almost direct current).
Derartige Gleichstromelektroden 30 lassen sich auch nutzen, um Ionen zu bewegen. Die dazu bevorzugte Ausführung ist eine sogenannte lineare lonenfalle, vgl. die Beschreibung der Figuren 4 und 5, bei der das ponderomotive Potential nicht nur in einem Punkt, sondern entlang einer ganzen Linie Null beträgt (in Mathematikersprache: es verschwindet auf dieser Linie). Dann kann mittels Gleichstromelektroden 30 dafür gesorgt werden, dass es entlang dieser Linie doch auf einen Punkt gehalten wird (das Earnshaw-Theorem besagt lediglich, dass dies nicht entlang aller Raumrichtungen per Gleichstromfelder funktioniert). Durch geeignete Änderungen dieser Gleichstromansteuerung (also genau genommen nur einer Quasigleichstromansteuerung, die sich durch eine erheblich kleinere Frequenz als die das ponderomotive Feld erzeugende Wechselstromansteuerungen auszeichnet) können einzelne Ionen oder auch ganze lonenkristalle bewegt werden. Such direct current electrodes 30 can also be used to move ions. The preferred embodiment for this is a so-called linear ion trap, cf. the description of FIGS. 4 and 5, in which the ponderomotive potential is zero not only at one point but along an entire line (in mathematician: it disappears on this line). Then it can be ensured by means of direct current electrodes 30 that it is nevertheless kept at one point along this line (the Earnshaw theorem merely states that this does not work in all spatial directions by means of direct current fields). By suitable changes of this direct current control (that is to say strictly only a quasi direct current control, which is characterized by a considerably lower frequency than the alternating current controls generating the ponderomotive field), individual ions or even whole ion crystals can be moved.
Prinzipiell kann jeder der Gleichspannungselektrodenabschnitte 32 mit einem unabhängigen Potential beaufschlagt werden. In praktischer Implementierung kann überlegt werden, auch mehrere der Gleichspannungselektrodenabschnitte 32 mit einem gleichen Potential zu beaufschlagen, beispielsweise durch gemeinsamen Anschluss an eine Gleichspannungsversorgung. In principle, an independent potential can be applied to each of the DC voltage electrode sections 32. In a practical implementation, it can be considered to apply several of the DC voltage electrode sections 32 to the same potential, for example by connecting them to a DC voltage supply.
Problematisch sind dabei mechanische Toleranzen der mit Wechselspannung angesteuerten, die lonenfalle 1 formende Elektroden 10, 20. Denn bereits relativ kleine Abweichungen können zu einer Potentialschwelle (engl. Potential barrier) führen, die dann zwar auch klein auf der Skala der gesamten lonenfallenpotentialtiefe sind, aber eine erhebliche Größe auf der um viele Größenordnungen kleineren Skala der gewünschten lonentemperatur aufweist. Im ungünstigsten Fall kann es passieren, dass das Ion bei der Bewegung auf der Flanke einer solchen Potentialschwelle nicht mehr in alle Richtungen eingesperrt ist und sich entsprechend der gewonnenen potentiellen Energie ballistisch fortbewegt, was in aller Regel unerwünscht ist und je nach Anwendung, beispielsweise bei Quantencomputern, die Funktion einschränkende Folgen haben kann. Das führt beispielsweise bei dem erwähnten wissenschaftlichen Fachartikel von Lekitsch et al. zu einem Erfordernis, benachbarte lo- nenfallenmodule mit einer Präzision von besser als ca. 10 Mikrometern zueinander zu positionieren, was für größere Modulzusammensetzungen nicht praktikabel ist. Mechanical tolerances of the electrodes 10, 20, which are controlled by alternating voltage and form the ion trap 1, are problematic because even relatively small deviations can lead to a potential threshold (English: potential barrier), which are then also small on the scale of the total ion trap potential depth, but has a considerable size on the scale of the desired ion temperature that is many orders of magnitude smaller. In the worst case, it can happen that the ion is no longer locked in all directions when moving on the flank of such a potential threshold and moves ballistically in accordance with the potential energy obtained, which is generally undesirable and depending on the application, for example in quantum computers , the Functional consequences can have. This leads, for example, to the aforementioned scientific article by Lekitsch et al. to a requirement to position adjacent ion trap modules with a precision of better than approx. 10 micrometers to each other, which is not practical for larger module compositions.
Die erfindungsgemäße Einzelansteuerung individueller Elektroden 10, 20 einer linearen lonenfalle 1 ermöglicht es im Prinzip, statt die Elektroden 10, 20, 30 mechanisch präzise anzuordnen, ihre tatsächliche Anordnung in eine dazu passende Ansteuerung zu übersetzen. Damit müssen sie nicht mehr präzise positioniert werden, sondern nur noch passend angesteuert, das heißt insbesondere mit der passenden Amplitude angesteuert, werden. The individual control of individual electrodes 10, 20 of a linear ion trap 1 according to the invention makes it possible in principle, instead of mechanically arranging the electrodes 10, 20, 30, to translate their actual arrangement into a suitable control. This means that they no longer have to be positioned precisely, but only have to be controlled appropriately, that is to say in particular controlled with the appropriate amplitude.
Ein Ion, welches das Wechselspannungsfeld der Fallenelektroden 10, 20 verstärkt spürt, erfährt eine erhöhte Heizrate. Dieser Effekt wird erfindungsgemäß genutzt, um ein Maß dafür zu erhalten, wie sehr ein Ion eine Potentialschwelle des ponderomotiven Potentials spürt. Dazu wird es nützlich sein, diese zusätzliche Heizrate (und damit den Messbereich) geeignet wählen zu können. Das ist möglich, wenn man auf die lonenfallenantriebswech- selspannung eine zu der Vibrationsfrequenz des Ions passende, gewollte, zusätzliche Wechselspannung einspeist. An ion that senses the alternating voltage field of the trap electrodes 10, 20 experiences an increased heating rate. This effect is used according to the invention in order to obtain a measure of how much an ion feels a potential threshold of the ponderomotive potential. It will be useful to be able to select this additional heating rate (and thus the measuring range) appropriately. This is possible if an intentional, additional AC voltage that matches the ion's vibration frequency is fed into the ion trap drive AC voltage.
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 10, 20 zu wählen. Dies nennt man auch ein Gradientenabstiegsoptimierungsverfahren (engl. „Gradient Descent Opti- mization“). Damit dürften sich nahezu optimale ponderomotive Potentiale für normales Bewegen von Ionen, dem Bewegen über lonenfallenmodulgrenzen hinaus, und dem Bewegen durch Kreuzungspunkte erzielen lassen. The bottom line is that a (repeated) measurement not only makes it possible to determine how much an ion is exposed to a potential threshold of the ponderomotive potential (or rather the alternating field that generates it), but also in which direction of the change in control parameter an improvement can be achieved. The amplitude of the electrodes 10, 20 driven by alternating current is preferably to be selected as the parameter. This is also called a gradient descent optimization method. Almost optimal ponderomotive potentials for normal movement of ions, movement beyond ion trap module boundaries, and movement through crossing points should thus be achieved.
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.
Fig. 8 zeigt schematisch und exemplarisch eine Anordnung mehrere lonenfallenmodule 300 in drei Dimensionen. Jedes der lonenfallenmodule 300 kann beispielsweise der Elektrodenanordnung der lonenfalle 1 , wie sie in Fig. 5 schematisch gezeigt ist, und der elekt- ronischen Anordnung, wie sie schematisch in Fig. 7 gezeigt ist, entsprechen. Der Folgeeffekt aus der Kompensation magnetischer Felder entlang der Bewegung von Ionen ist, dass auch mechanisch schlecht zueinander passende lonenfallenmodule 300 elektrisch passend gemacht werden können. Damit wird ermöglicht, lonenfallenmodule 300 nicht nur direkt nebeneinander, sondern auch im rechten Winkel oder mit abweichenden Geometrien zueinander zusammenzusetzen. Damit ist nicht die Fügung gemeint, mit der Fließen um eine Ecke fortgesetzt werden, das heißt eine Drehung um etwa 90° entlang einer Fügekante, sondern vielmehr eine Drehung um etwa 90° oder einen anderen Wert entlang des linearen Pfades L, entlang dem die Ionen bewegt werden können. 8 shows schematically and by way of example an arrangement of a plurality of ion trap modules 300 in three dimensions. Each of the ion trap modules 300 can, for example, the electrode arrangement of the ion trap 1, as shown schematically in FIG. 5, and the electronic ronic arrangement, as shown schematically in Fig. 7, correspond. The consequence of the compensation of magnetic fields along the movement of ions is that even ion trap modules 300 that are mechanically poorly matched can be made electrically matched. This makes it possible to assemble ion trap modules 300 not only directly next to one another, but also at right angles or with different geometries to one another. This does not mean the joining with which flow continues around a corner, i.e. a rotation of about 90 ° along a joining edge, but rather a rotation of about 90 ° or another value along the linear path L along which the ions can be moved.
Jedes der lonenfallenmodule 300 weist exemplarisch die fingerartige Elektrodenstruktur auf, das heißt beispielsweise, dass das Substratmaterial in dem als Kamm dargestellten Bereich weggefräst ist. Ebenso weist jedes der lonenfallenmodule 300 in der schematischen Ansicht elektronische Komponenten 310, 320 und 330 auf, die beispielsweise den Resonator 100 der lonenfalle 1 integrieren. Each of the ion trap modules 300 has, for example, the finger-like electrode structure, that is to say, for example, that the substrate material is milled away in the area shown as a comb. Likewise, in the schematic view, each of the ion trap modules 300 has electronic components 310, 320 and 330 which, for example, integrate the resonator 100 of the ion trap 1.
Die gesamte Anordnung aus lonenfallenmodulen 300 befindet sich im Vakuum, das heißt innerhalb der Vakuumkammer 4. Zur besseren Erkennbarkeit sind optische Komponenten in der Fig. 8, ebenso wie in den anderen Figuren, weggelassen. The entire arrangement of ion trap modules 300 is in a vacuum, that is to say inside the vacuum chamber 4. For better visibility, optical components are omitted in FIG. 8, as in the other figures.
Schließlich zeigt Fig. 9 schematisch und exemplarisch eine perspektivische Ansicht der Geometrie der linearen lonenfalle 1. Finally, FIG. 9 schematically and exemplarily shows a perspective view of the geometry of the linear ion trap 1.
Gezeigt ist ein Schnitt senkrecht zur linearen Bewegungsbahn eines Ions 6, das in der Mitte zwischen den Fingern 12, 22 der gegenpolig angesteuerten Wechselstromelektroden liegen. Es ist hierbei nicht nur der Schnitt, sondern auch die in die Tiefe fortgesetzte lonenfalle 1 gezeigt. Durch die Perspektive sind einzelne Finger 12, 22, die jeweils einzelansteu- erbare Elektroden 10, 20 darstellen, sichtbar. Der Schnitt ist ebenfalls so gewählt, dass ein keramisches Substrat 50 in der rechten oberen und linken unteren Ecke erkennbar ist. Anders ausgedrückt, ist in diesem Beispiel die Anordnung der Finger 12 und 22 entlang der Längsrichtung versetzt, das heißt die Finger 22, die in der Schnittebene liegen, sind durchgeschnitten gezeigt, während die Finger 12 in einer Draufsicht gezeigt sind. Shown is a section perpendicular to the linear movement path of an ion 6, which lies in the middle between the fingers 12, 22 of the alternating current electrodes which are driven with opposite poles. Not only the cut is shown here, but also the ion trap 1, which is continued in depth. Individual fingers 12, 22, which each represent individually controllable electrodes 10, 20, are visible through the perspective. The cut is also chosen so that a ceramic substrate 50 can be seen in the upper right and lower left corners. In other words, in this example the arrangement of the fingers 12 and 22 is offset along the longitudinal direction, that is to say the fingers 22 which lie in the cutting plane are shown cut through, while the fingers 12 are shown in a plan view.
Es wird demnach besonders eine elektrische Schaltung zum Antrieb von lonenfallen 1 für Laserspektroskopie an Einzelionen vorgeschlagen werden. Dies betrifft beispielsweise die Einsatzgebiete einer ionenfallenbasierten optischen Atomuhr oder eines ionenfallenbasierten Quantencomputers. Die zugehörige Schaltung basiert im Kern auf einem elektrischen Resonator, der unter anderem deshalb erforderlich ist, um elektrisches Rauschen zu unterdrücken (ein Resonator verstärkt Schwingungen im Resonanzbereich und unterdrückt alle übrigen Schwingungen). Ohne diese Unterdrückung würden Einzelionen einer verstärkten sogenannten Heizrate ausgesetzt: Ihre für Laserspektroskopische Anwendungen üblicherweise technisch unterdrückte (“lasergekühlte”) Vibrationsbewegung in der lonen- falle würde ohne Zutun stärker zunehmen, als dies technisch möglich ist. Accordingly, an electrical circuit for driving ion traps 1 for laser spectroscopy on single ions will be proposed in particular. This applies, for example, to the areas of application of an ion trap-based optical atomic clock or an ion trap-based quantum computer. The associated circuit is based on an electrical resonator, which is necessary, among other things, to suppress electrical noise (a resonator amplifies vibrations in the resonance range and suppresses all other vibrations). Without this suppression, individual ions would be exposed to an increased so-called heating rate: yours for laser spectroscopic applications Usually technically suppressed (“laser-cooled”) vibration movement in the ion trap would increase more than is technically possible without action.
Eine solche Zunahme ist üblicherweise aber unerwünscht, da zu viel solcher Bewegung oder aber schon die Zunahme selbst problematisch für die meisten (erwünschten) Laser- lon-lnteraktionen sind. Bisher sind zwar verschiedene Bauarten solcher Resonatoren für lonenfallenantriebe bekannt, jedoch wird nur eine Spielart, der“helical resonator” im Zusammenhang mit für Einzelionenbetrieb ausgelegte lonenfallen 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, massenfertig bare 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 lonenfalle 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 lonenfallen transportiert werden können, in besonders einfacher und besonders hochqualitativer Art einrichten zu können. Ferner gehört zu diesen Anwendungen die Möglichkeit, getrennte lonenfallen zu verbinden, ohne dabei extreme mechanische Toleranzen gewährleisten zu müssen. Vorstellbar ist dies sogar in gewinkelter Form, so dass derart zusammengefügte lonenfallenmodule sich nicht auf eine Ebene beschränken müssen, sondern raumfüllend, also beispielsweise in 3 Dimensionen gestapelt, ausgeführt werden können. In contrast, according to the invention, instead of copper air coils, mass-produced bare resonators are actually used for small signal applications, for example quartz crystals, ceramic filters, piezoelectric components or surface acoustic wave filters. 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 lonenfallen bereitzustellen und Methoden zur erfolgreichen Nutzung zu offenbaren. The invention therefore achieves the object of providing a small, electrical circuit for the production of ion traps that can be mass-produced, noise-filtering 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 lonenfalle 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 electrical 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 lonenfalle angelegte Wechselspannung und ihren Zeitverlauf zu messen, beispielsweise um ihre Phase und/oder ihre Amplitude nachzuregeln. Schließlich ist es auch Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit bereitzustellen, den elektrischen Antrieb einer lonenfalle in die die lonenfalle beinhaltende Vakuumkamnner zu integrieren. An additional object of the invention is to provide a way 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. 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 lonenfalle. 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 Kleinstsig- nalen betriebenen, frequenzbestimmenden Bauteilen in Quartzoszillatoren wird als Resonator für den Antrieb einer lonenfalle 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 being switched 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 lonenfalle gebildeten, parasitären Kapazität umgewandelt wird und umgekehrt. Damit erfüllt diese Ausführung die Aufgabe der Erfindung; zweckmäßigerweise kann dieser lonenfallenantrieb 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 fulfills the object of the invention; Expediently, this ion trap drive can 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 successfully excite the crystal, which behaves non-linearly in the case of larger amplitudes, the frequency can be adjusted or readjusted to the currently reached amplitude.
Zum Definieren oder Einstellen des Gleichstromanteils der so an lonenfallenelektroden angelegten Wechselspannung wird ein RC-Glied mit sehr langer Zeitkonstante, bei dem die Kapazität ganz oder zum Teil durch die parasitäre Kapazität der lonenfalle geformt wird, an die nicht geerdete lonenfallenelektrode angeschlossen. Dadurch kann das vom Widerstand erzeugte Rauschen so stark gefiltert werden, dass es bei der Bewegungsfrequenz von einem oder mehreren, in der lonenfalle 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 formed 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 lonenfalle 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 lonenfallenelektroden 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, which can be easily further processed electronically. Means In a control loop, the phase and amplitude can thus be regulated to the desired manipulated values.
Beispiel 1. Die Verwendung mindestens eines Quartzkristalls als Resonator zum Antrieb einer lonenfalle, 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 lonenfalle angeschlossen ist. Example 1. The use of at least one quartz crystal as a resonator to drive an ion trap to filter drive noise, achieve a reduction in performance 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 2. Die Verwendung mindestens eines keramischen Resonators oder keramischen Filters als Resonator zum Antrieb einer lonenfalle, 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 lonenfalle 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 lonenfalle, 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 lonenfalle 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, to reduce the performance 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 lonenfalle, 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 lonenfalle 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 performance of the drive, or both, this resonator being connected directly or indirectly by means of one or more electrical capacities or other electrical components Electrodes of an ion trap is connected.
Beispiel 5. Die Verwendung mindestens eines piezoelektrischen Resonators, piezoelektrischen Transformator, oder piezoelektrischen Resonanztransformators als Resonator zum Antrieb einer lonenfalle, 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 lonenfalle 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 a reduction in performance of the drive, or both, this resonator being directly or indirectly by means of one or more electrical Capacities or other electrical components are connected to electrodes of an ion trap.
Beispiel 6. Die Verwendung eines RC-Tiefpasses mit einem Widerstand größer als ein Me- gaohm, wobei die Kapazität entfallen kann bzw. ausschließlich von parasitärer Kapazität geformt werden kann, an einer mit Wechselspannung an einem Resonator betriebenen lonenfallenelektrode, um eine gewünschte Gleichspannung oder eine sich im Vergleich zur lonenfallenantriebswechselspannung nur langsam ändernde Spannung als Offset zu dieser Antriebswechselspannung anzulegen. Beispiel 7. Die Verwendung eines beliebigen Tiefpasses an einer mit Wechselspannung an einem Resonator betriebenen lonenfallenelektrode, um einen gewünschten Gleichspannungsoffset oder eine sich im Vergleich zur lonenfallenantriebswechselspannung nur langsam ändernde Spannung als Offset zu dieser Antriebswechselspannung anzulegen. Beispiel 8. Die Verwendung eines kapazitiven Spannungsteilers zur Messung oder Regelung der an lonenfallenelektroden angelegten Wechselspannung, wobei dieser Spannungsteiler innerhalb der Vakuumkammer ist, in der sich die lonenfalle befindet. Example 6. The use of an RC low-pass filter with a resistance greater than one megohm, whereby the capacitance can be eliminated or can only be formed by parasitic capacitance, on an ion trap electrode operated with AC voltage on a resonator, in order to achieve a desired DC voltage or in comparison to the ion trap drive AC voltage, only slowly changing voltage to be applied as an offset to this AC drive voltage. 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. 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 lonenfalle 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 recognizable in its resonance frequency, the frequency of the control of the resonance frequency either being 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 drives through.

Claims

Ansprüche Expectations
1. lonenfalle (1 ) mit 1. ion trap (1) with
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,  at least two electrodes (10, 12, 20, 22) which are designed to generate an electric field which has an attractive ponderomotive potential in at least one area,
einem elektrischen Resonator (100) und  an electrical resonator (100) and
einer Vakuumkammer (4), wobei  a vacuum chamber (4), wherein
der elektrische Resonator (100) dazu eingerichtet ist, Elektroden (10, 12, 20, 22) der lonenfalle (1 ) mit einer Wechselspannung zu versorgen, und wobei  the electrical resonator (100) is set up to supply electrodes (10, 12, 20, 22) of the ion trap (1) with an alternating voltage, and wherein
der elektrische Resonator (100) einen Schwingkreis (1 10) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass  the electrical resonator (100) has an oscillating circuit (1 10), characterized in that
der Schwingkreis (1 10) innerhalb der Vakuumkammer (4) angeordnet ist.  the resonant circuit (1 10) is arranged within the vacuum chamber (4).
2. lonenfalle (1 ) nach Anspruch 1 , wobei die lonenfalle (1 ) dazu ausgebildet ist, Ionen einer effektiven Temperatur mit höchstens 1 K innerhalb der Vakuumkammer zu behalten. 2. ion trap (1) according to claim 1, wherein the ion trap (1) is designed to keep ions of an effective temperature with at most 1 K within the vacuum chamber.
3. lonenfalle (1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Resonator (100) wenigstens ein Element ausgewählt aus der Liste bestehend aus: 3. ion trap (1) according to one of the preceding claims, wherein the resonator (100) at least one element selected from the list consisting of:
- ein Quarzkristall,  - a quartz crystal,
- ein keramischer Resonator,  - a ceramic resonator,
- ein keramischer Filter,  - a ceramic filter,
- ein piezoelektrisches Bauelement,  a piezoelectric component,
- ein Oberflächenwellenfilter und  - a surface acoustic wave filter and
- ein MEMS-Bauteil  - a MEMS component
aufweist. having.
4. lonenfalle (1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der elektrische Resonator (100) dazu eingerichtet ist, Elektroden (10, 12, 20, 22) der lonenfalle (1 ) mit einer Wechselspannung in einem Frequenzbereich zwischen 1 MHz und 1 GHz zu versorgen. 4. ion trap (1) according to any one of the preceding claims, wherein the electrical resonator (100) is configured to electrodes (10, 12, 20, 22) of the ion trap (1) with an AC voltage in a frequency range between 1 MHz and 1 GHz to supply.
5. lonenfalle (1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Vakuumkammer5. ion trap (1) according to any one of the preceding claims, wherein the vacuum chamber
(4) dazu eingerichtet ist, 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. (4) 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 to maintain a pressure of at most 10 10 mbar.
6. lonenfalle (1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die lonenfalle (1 ) einen Treiber (120) aufweist, der dazu eingerichtet ist, den elektrischen Resonator (100) anzutreiben und als Hochimpedanz- und/oder Hochspannungstreiber ausgebildet ist. 6. ion trap (1) according to one of the preceding claims, wherein the ion trap (1) has a driver (120) which is set up to drive the electrical resonator (100) and is designed as a high-impedance and / or high-voltage driver.
7. lonenfalle (1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der elektrische Resonator (100) ein frequenzverstellendes Element aufweist. 7. ion trap (1) according to any one of the preceding claims, wherein the electrical resonator (100) has a frequency-adjusting element.
8. lonenfalle (1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, die ferner einen Regelkreis zur Amplitudenstabilisierung der Spannung über Elektroden (10, 12, 20, 22) der lonenfalle (1 ) aufweist, wobei der Regelkreis ein spannungsempfindliches Element umfasst, das in- nerhalb der Vakuumkammer (4) angeordnet ist. 8. ion trap (1) according to one of the preceding claims, further comprising a control circuit for amplitude stabilization of the voltage across electrodes (10, 12, 20, 22) of the ion trap (1), the control circuit comprising a voltage-sensitive element, which is inside the vacuum chamber (4) is arranged.
9. lonenfalle (1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Antriebsfrequenz der lonenfalle (1 ) innerhalb der Vakuumkammer (4) erzeugt wird. 9. ion trap (1) according to any one of the preceding claims, wherein the drive frequency of the ion trap (1) is generated within the vacuum chamber (4).
10. lonenfalle (1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Resonator (100) dazu eingerichtet ist, die Elektroden (10, 12, 20, 22) der lonenfalle (1 ) mit identischer Frequenz und gleicher oder entgegengesetzter Phase, jedoch mit unterschiedlicher Amplitude zu beaufschlagen. 10. ion trap (1) according to any one of the preceding claims, wherein the resonator (100) is configured to the electrodes (10, 12, 20, 22) of the ion trap (1) with identical frequency and the same or opposite phase, but with different To apply amplitude.
1 1. lonenfalle (1 ) nach Anspruch 10, wobei der Resonator (100) dazu eingerichtet ist, eine geometrische Fertigungsabweichung der Elektroden (10, 12, 20, 22) durch eine Wahl der Amplitude zu kompensieren. 1 1. ion trap (1) according to claim 10, wherein the resonator (100) is set up to compensate for a geometric manufacturing deviation of the electrodes (10, 12, 20, 22) by a choice of the amplitude.
12. lonenfalle (1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die lonenfalle (1 ) als lineare lonenfalle (1 ) ausgebildet ist, derart, dass ein Potential entlang einer Längsachse (L) über eine Linie ein Minimum annimmt. 12. ion trap (1) according to one of the preceding claims, wherein the ion trap (1) is designed as a linear ion trap (1) such that a potential along a longitudinal axis (L) takes a minimum over a line.
13. lonenfalle (1 ) nach Anspruch 12, die ferner Gleichstromelektroden (30, 32) aufweist, wobei die Gleichstromelektroden (30, 32) dazu eingerichtet sind, zusätzlich zu einem bestehenden, ponderomotivem Potential, das entlang der Längsachse (L) attraktiv wirkt, ein in dieser Kombination auf einen Punkt attraktiv wirkendes Potential zu erzeugen, sowie insbesondere, mittels geeigneter Ansteuerung der Gleichstromelektroden (30, 32), eine Verschiebung des Punktes entlang der Längsachse (L) zu bewirken. 13. ion trap (1) according to claim 12, further comprising direct current electrodes (30, 32), the direct current electrodes (30, 32) being set up in addition to an existing, ponderomotive potential which has an attractive effect along the longitudinal axis (L), to generate a potential which appears attractive to a point in this combination, and in particular to effect a displacement of the point along the longitudinal axis (L) by means of suitable control of the direct current electrodes (30, 32).
14. lonenfalle (1 ) nach Anspruch 12 oder 13, wobei die lonenfalle (1 ) zwei sich kreuzende lineare Achsen, die Längsachse und eine Querachse, aufweist, entlang derer das Potential über eine Linie ein Minimum annimmt und die sich an einem Kreuzungspunkt schneiden. 14. The ion trap (1) according to claim 12 or 13, wherein the ion trap (1) has two crossing linear axes, the longitudinal axis and a transverse axis, along which the potential assumes a minimum over a line and which intersect at a crossing point.
15. lonenfalle (1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Elektroden (10, 12, 20, 22) als Linearelektroden ausgebildet sind. 15. ion trap (1) according to any one of the preceding claims, wherein the electrodes (10, 12, 20, 22) are designed as linear electrodes.
16. lonenfalle (1 ) nach Anspruch 15, wobei die Elektroden (10, 12, 20, 22) innerhalb von mindestens zwei im Wesentlichen parallelen Schichten angeordnet sind, wobei der für das Einfangen der Ionen nutzbare Bereich in einem Raum zwischen den jeweils äußersten der mindestens zwei Schichten ausgebildet ist. 16. ion trap (1) according to claim 15, wherein the electrodes (10, 12, 20, 22) are arranged within at least two substantially parallel layers, wherein the area usable for capturing the ions in a space between the respective outermost ones at least two layers are formed.
17. lonenfalle (1 ) nach Anspruch 16, wobei die gegenüberliegenden Schichten der17. ion trap (1) according to claim 16, wherein the opposite layers of the
Elektroden (10, 12, 20, 22) als Gegenpole der Wechselspannungsversorgung des Resonators (100) ausgebildet sind. Electrodes (10, 12, 20, 22) are designed as opposite poles of the AC voltage supply of the resonator (100).
18. lonenfalle (1 ) nach Anspruch 17, wobei die Elektroden (10, 12, 20, 22) eine finger- artige Struktur aufweisen, wobei je eine Gruppe der Finger (12, 22) durch je einen Resonator (100) unabhängig ansteuerbar ist. 18. ion trap (1) according to claim 17, wherein the electrodes (10, 12, 20, 22) have a finger-like structure, wherein one group of fingers (12, 22) can be controlled independently by one resonator (100) .
19. lonenfalle (1 ) nach Anspruch 18, wobei jede der Gruppen der Finger (12, 22) gleichmäßig beabstandete Finger (12, 22) umfasst, wobei benachbarte Finger (12, 22) in jeweils unterschiedlichen Gruppen enthalten sind. 19. The ion trap (1) according to claim 18, wherein each of the groups of fingers (12, 22) comprises equally spaced fingers (12, 22), adjacent fingers (12, 22) being contained in different groups.
20. lonenfalle (1 ) nach Anspruch 18 oder 19, wobei ein Zwischenraum (14, 24) zwischen20. ion trap (1) according to claim 18 or 19, wherein a space (14, 24) between
Fingern (12, 22) der fingerartigen Struktur ausgebildet ist. Fingers (12, 22) of the finger-like structure.
21. lonenfalle (1 ) nach Anspruch 20, wobei der Zwischenraum (14, 24) wenigstens teilweise, insbesondere gänzlich, metallisiert ist. 21. ion trap (1) according to claim 20, wherein the intermediate space (14, 24) is at least partially, in particular entirely, metallized.
22. lonenfalle (1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die lonenfalle (1 ) modular aufgebaut ist, insbesondere mehrere Elektroden (10, 12, 20, 22) und mehrere Resonatoren (100) modular aneinander montierbar sind. 22. ion trap (1) according to any one of the preceding claims, wherein the ion trap (1) is modular, in particular a plurality of electrodes (10, 12, 20, 22) and a plurality of resonators (100) can be modularly assembled together.
23. lonenfalle (1 ) nach Anspruch 22, wobei benachbarte Module (300) von Elektroden23. ion trap (1) according to claim 22, wherein adjacent modules (300) of electrodes
(10, 12, 20, 22) in der gleichen Ebene und/oder in um etwa 90° gegeneinander gedrehten Ebenen angeordnet sind, wobei vorzugsweise eine Längsachse bzw. eine Querachse des einen Moduls (300) der Längsachse oder der. Querachse des benachbarten Moduls (300) entspricht. (10, 12, 20, 22) are arranged in the same plane and / or in planes rotated by approximately 90 ° with respect to one another, preferably a longitudinal axis or a transverse axis of the one module (300) of the longitudinal axis or the. Transverse axis of the adjacent module (300) corresponds.
24. lonenfalle (1 ) nach Anspruch 23, wobei die benachbarten Module (300) derart ausgebildet sind, dass Ionen entlang der Längsachse (L) bzw. der Querachse zwischen benachbarten Modulen (300) bewegbar sind. 24. ion trap (1) according to claim 23, wherein the adjacent modules (300) are designed such that ions along the longitudinal axis (L) or the transverse axis between adjacent modules (300) are movable.
25. lonenfalle (1 ) nach einem der Ansprüche 22 bis 24, wobei die Module (300) in drei25. ion trap (1) according to any one of claims 22 to 24, wherein the modules (300) in three
Dimensionen stapelbar anordenbar sind. Dimensions can be stacked.
26. Verfahren zum Kalibrieren eines Wechselspannungsfeldes einer lonenfalle, insbesondere einer Einzelionenfalle und besonders einer lonenfalle (1 ) nach einem der Ansprü- che 1 bis 25, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: 26. A method for calibrating an alternating voltage field of an ion trap, in particular a single ion trap and in particular an ion trap (1) according to one of claims 1 to 25, the method comprising the following steps:
Einspeisen einer Wechselspannung zum Antrieb der lonenfalle (1 ), Einspeisen einer zusätzlichen Wechselspannung, die derart gewählt ist, dass sie zu einer Vibrationsfrequenz eines Ions in der lonenfalle (1 ) passt, Feeding an AC voltage to drive the ion trap (1), Feeding in an additional alternating voltage, which is selected such that it matches a vibration frequency of an ion in the ion trap (1),
Bestimmen einer erhöhten Heizrate des Ions in der lonenfalle (1 ) aufgrund der zusätzlich eingespeisten Wechselspannung.  Determining an increased heating rate of the ion in the ion trap (1) due to the additional AC voltage fed in.
27. Verfahren nach Anspruch 26, das weiter ein Wiederholen der Schritte des Einspei- sens der Wechselspannung, des Einspeisens der zusätzlichen Wechselspannung und des Bestimmens der erhöhten Heizrate unter Änderung eines Parameters, insbesondere einer Ansteuerungsamplitude einer Wechselstromelektrode, umfasst. 27. The method of claim 26, further comprising 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 drive amplitude of an AC electrode.
28. Verfahren nach Anspruch 27, das weiter den folgenden Schritt aufweist: 28. The method of claim 27, further comprising the step of:
Berechnen eines genäherten Gradienten der Heizrate bezüglich der Änderung des Parameters mittels der bestimmten Heizraten.  Calculate an approximate gradient of the heating rate with respect to the change in the parameter using the determined heating rates.
29. Verfahren nach Anspruch 28, das 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 aufweist, wobei insbesondere der berechnete Gradient der Heizrate minimiert ist. 29. The method of claim 28, further comprising repeating the steps of feeding the AC voltage, feeding 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.
30. Verwendung eines Quarzkristalls, eines keramischen Resonators, eines keramischen Filters, eines piezoelektrischen Bauelementes, eines Oberflächenwellenfilters und/oder eines MEMS-Bauteils als elektrischen Resonator (100) zum Antrieb einer lonen- falle (1 ). 30. Use of a quartz crystal, a ceramic resonator, a ceramic filter, a piezoelectric component, a surface acoustic wave filter and / or a MEMS component as an electrical resonator (100) for driving an ion trap (1).
31. Verwendung nach Anspruch 30, wobei der Resonator (100) direkt oder indirekt an Elektroden (10, 12, 20, 22) der lonenfalle (1 ) angeschlossen ist. 31. Use according to claim 30, wherein the resonator (100) is connected directly or indirectly to electrodes (10, 12, 20, 22) of the ion trap (1).
32. Verwendung nach Anspruch 31 , wobei der Resonator (100) mittels einer oder mehrerer elektrischer Kapazitäten und/oder weiterer elektronischer Bauelemente an Elektroden (10, 12, 20, 22) der lonenfalle (1 ) angeschlossen ist. 32. Use according to claim 31, wherein the resonator (100) is connected to electrodes (10, 12, 20, 22) of the ion trap (1) by means of one or more electrical capacitances and / or further electronic components.
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