Construction of ion trap devices and isotope selective trapping toward quantum computing

Abstract

Quantum computers can solve certain problems more efficiently than conventional computers. Various physical architectures have been tested toward building a quantum computer. Among those, the ion trap system possesses high fidelity quantum gates and long coherent time. In particular, the Ytterbium (Yb) ion in the trapped ion experiments is widely used since the Yb has a hyperfine structure which is insensitive to fluctuation of the external magnetic field. Thus, the Yb guarantees stability of the qubit. This thesis contains the contents of experimental set up to establish an environment necessary to build a trapped ion-based quantum computer. We design basic vacuum chambers and trapping devices and assemble them to capture Yb ions. Also, we conduct spectroscopy experiments to stabilize and align the necessary lasers to Yb atomic gas. In order to measure the trapped atoms, the imaging system was built. For stable trapping, we perform a computational simulation (COMSOL) to characterize the potential created by the traps we built. From the simulation, we can understand the system we built in detail such as trapping potential depth and DC voltages to correct the potential minimal position. Based on this, we trapped the ytterbium isotopes to build a quantum system. The set ups we have constructed in this thesis will be used for producing single coherent qubit that we can manipulate toward performing quantum gates.;양자 컴퓨터는 기존의 컴퓨터보다 더 효율적으로 특정문제를 해결할 수 있다. 현재, 양자 컴퓨터를 구현하기 위해 다양한 플랫폼들이 시험되고 있는데 그 중 이온 트랩 시스템은 높은 충실도의 양자 게이트와 긴 일관된 시간을 가지고 있다. 특히 이터븀 이온은 외부 자기장의 변동에 민감하지 않은 초미세구조를 가지고 있기 때문에 이온 포획 실험에서 널리 사용되며 큐비트의 안정성을 보장한다. 본 논문에서는 이온 트랩 기반의 양자컴퓨터를 제작하기 위해서 필요한 환경을 구축하기 위해 설정한 실험 내용을 담고 있다. 우리는 진공 챔버와 포획 장치를 설계하고 조립하여 이터븀 이온을 포획하고 이터븀 원자 가스에 필요한 레이저를 안정화시키고 정렬시키기 위해 분광학 실험을 수행했으며 포획된 원자들을 측정하기 위한 시스템을 구축했다. 우리가 제작한 트랩에 의해 생성되는 포텐셜을 특성화하여 안정적인 이온 포획을 하기위해 물리 기반의 계산 시뮬레이션(COMSOL) 또한 수행했다. 시뮬레이션을 통해 포텐셜의 깊이와 과도한 마이크로모션을 보정하기 위해 필요한 전압 등 우리가 구축한 시스템을 자세히 이해하는데 도움이 되었다. 이 논문에서 구성한 설정은 우리가 양자 게이트를 수행하기 위해 필요한 조작 가능한 단일 일관된 큐비트를 생성하는 데 사용될 것이다.