СВАРНАЯ ЛОВУШКА ПАУЛЯ

Полезная модель относится к квантовой технике и может быть использована для создания компактной линейной односекционной квадрупольной ловушки Пауля, не требующей точной юстировки с применением дополнительных методов контроля и точной обработки диэлектрических элементов конструкции, а также обладающей высокой стабильностью геометрии при изменении температуры.
0
0
0
rf
Известна ловушка [RU 2717352, С1, H01J 49/00, 23.03.2020], которая представляет собой мультипольную систему, например квадруполь, состоящую, из четырех электродов соединенных попарно, при этом, в ловушке создается удерживающее ионы поле за счет переменного электрического поля, создаваемого электродами, на которые попарно подается ВЧ напряжение вида Ф(t)=+(U - V cos(ωt)) на одну пару и Ф(t)=-(U - V cos(ωt)) на другую, и в результате усреднения высокочастотного поля, поле ионной ловушки описывается эффективным потенциалом (или псевдопотенциалом) высокочастотного квадрупольного электрического поля, который при отсутствии постоянной составляющей равен  где  - глубина потенциальной ямы двухмерной ловушки, m - масса иона, r - эффективный радиус псевдопотенциала, V и ω - амплитуда и частота питающего ВЧ напряжения ловушки, q - параметр квадрупольного поля.
Недостатком этого устройства являются относительно узкие функциональные возможности, обусловленные тем, что оно не позволяет осуществлять манипулирование квантовым состоянием большого количества ионов, что сдерживает реализацию квантовых алгоритмов с большим объемом вычислений.
Наиболее близким по технической сущности к предложенному является устройство [RU 205635 U1, H01J 49/00, 23.03.2021], состоящее из четырех электродов-лезвий, жестко закрепленных на изоляторах, причем, каждый из электродов-лезвий содержит электрически изолированные сегменты с первого по пятый, при этом, электрически изолированные сегменты выполнены с возможностью приложения к диагональной паре электродов-лезвий во втором и четвертом сегменте радиочастотного напряжения для радиального удержания ионов, а первый, третий и пятый сегменты выполнены с возможностью приложения к электродам-лезвиям постоянного напряжения для аксиального удержания ионов и компенсации паразитных электрических полей.
Недостатком наиболее близкого технического решения являются высокие требования к точности изготовления изоляторов и к установке электродов, низкая теплопроводность изоляторов, а также наличие разъемных  механических соединений между деталями, что снижает температурную стабильность геометрии ловушки и может приводить к дополнительным нагревам ионов в ловушке, снижающих достоверности проведения квантовых операций.
Действительно, при нагреве, ввиду омических потерь, во время работы ловушки из-за температурного расширения элементов, а также присутствия механических напряжений в месте крепежей элементов, могут возникать деформации геометрии ловушки, приводящие к изменению формы потенциала, и, как следствие, смещению ионов в ловушке. В рабочем режиме потенциалы электродов устанавливаются таким образом, чтобы ионы находились в области, где электрический потенциал равен нулю, таким образом минимизируется нагрев ионного кристалла за счет избыточного микродвижения, вызванного радиочастотным полем. При смещении ионов ввиду нагрева ионного кристалла работа ловушки становится нестабильной, что выражается в снижении достижимых показателей достоверностей квантовых операций, а при больших смещениях - в разрушении ионного кристалла. Поэтому после каждого запуска ловушки, например, при перезагрузке ионов или изменении амплитуды управляющего сигнала требуется проведение компенсации внешних электрических полей путем подстройки потенциалов электродов, что существенно затрудняет отладку параметров, оптимизируемых для проведения квантовых операций, и снижает возможности автоматизации. Дополнительным фактором, обуславливающим требования к температурной стабильности геометрии ловушки, является необходимость проведения процедуры внутривакуумного отжига для дегазации поверхностей ловушки и вакуумной камеры, во время которой температуры могут достигать 450°С, и изначальная геометрия может измениться существенным образом, что приведет к изменению расчетных характеристик ловушки - достижимых секулярных частот, определяющих скорость проведения квантовых операций, и глубины ловушки, определяющей время жизни ионного кристалла. Ввиду этого также необходимо применять методы дополнительного контроля, такие как наблюдение в микроскоп одновременно в двух плоскостях, в процессе изначальной юстировки ионной ловушки при наличии механических соединений, а также обрабатывать изоляторы, на которые осуществляется монтаж.
Целью предлагаемой полезной модели является обеспечение высокой точности расположения электродов и стабильности геометрии ловушки при изменении температуры в широком диапазоне, а также исключение необходимости точной обработки изоляторов при изготовлении.
Техническим результатом является улучшение стабильности работы сварной ловушки.
Технический результат достигается тем, что диагональные пары электродов-лезвий приварены к монтажным платам, при этом ловушка содержит торцевые и компенсационные электроды, которые приварены к монтажным платам, причем расстояние между диагональными парами электродов-лезвий составляет 0,5 мм, кроме того, к диагональным парам электродов-лезвий приварены монтажные платы методом микродуговой сварки с использованием шаблона, при этом монтажные платы имеют медное покрытие с вытравленными дорожками шириной не менее 0,5 мм, причем все электроды могут быть изготовлены методом электроэрозионной обработки из титана с золотым покрытием, либо из меди с комбинированным платиново-золотым покрытием, либо из золота.
Сущность полезной модели поясняется чертежами:
на фиг. 1 - конструкция сварной ловушки Пауля;
на фиг. 2 - конструкция сварной ионной ловушки в поперечном разрезе;
на фиг. 3 - конструкция шаблонов.
На чертежах обозначены:
1, 2 - монтажные платы;
3, 4 - компенсационные электроды;
5, 6 - торцевые электроды;
7,  9 -  первая диагональная пара электродов-лезвий;
8, 10 – вторая диагональная пара электродов-лезвий;
11, 12 - шаблоны.
Сварная ловушка Пауля содержит алюмооксидные монтажные платы 1,2 с вытравленными дорожками шириной не менее 0,5 мм, обеспечивающими электрическую изоляцию приваренных к ним методом микродуговой сварки, компенсационных электродов 3, 4, торцевых электродов 5, 6 и электродов-лезвий 7, 8, 9, 10. Взаимное расположение электродов 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 и монтажных плат 1, 2 обеспечивается использованием шаблонов 11 и 12 при приварке электродов к плате 1 и 2 соответственно. Шаблоны изготовлены таким образом, чтобы расстояние между парами электродов 7 и 9 и парами электродов 8 и 10 составляло 0,5 мм с отклонением не более 20 мкм.
Предложенная сварная ловушка Пауля работает следующим образом.
2
2
2
Приведем теоретическое обоснование работы ловушки Пауля аналогичное соответствующему обоснованию для прототипа [RU 205635 U1, H01J 49/00, 23.03.2021]. Для захвата и удержания иона в ловушке к электродам прикладывается переменное и постоянное электрические поля. На ион с зарядом Q в электрическом поле Е, заданном потенциалом Ф, действует сила F=QE=-Q∇Ф. При линейной зависимости силы, действующей на ион, от расстояния до центра ловушки электрический потенциал может быть определен из соотношения: Ф=const × (ах+by+cz). Для удовлетворения уравнения Лапласа в пространстве свободном от зарядов необходимо, чтобы выполнялось условие: а+b+с=0.
2
2
Для удержания линейной цепочки ионов необходимо, чтобы потенциал принял линейную квадрупольную конфигурацию Ф=const × (х - у).
0
dc
ac
dc
ac
Такой двумерный квадрупольный потенциал можно создать четырьмя гиперболическими электродами, расположенными в углах квадрата, к двум парам которых приложена разность потенциалов Ф=- U+V cos ωt, где U- постоянная составляющая потенциала на электроде, a V - переменная составляющая на частоте ω. В этом случае уравнения движения иона может быть найдено из дифференциальных уравнений Матье и представляют собой решение типа Флоке [Т. Tamir, "Characteristic Exponents of Mathieu Functions," Math. Comput. (1962)].
0
Характер движения иона описывается безразмерными величинами:  где m - масса иона, r - расстояние между центром ловушки и электродом [W. Paul, "Electromagnetic traps for charged and neutral particles," Rev. Mod. Phys. (1990)]. При нахождении параметров {a, q} внутри диаграммы стабильности, движение иона будет финитно, а, значит, возможен захват. Захваченный ион в радиальной плоскости ловушки будет совершать движение, являющееся комбинацией секулярного движения с частотой  и микродвижения с частотой со приложенного напряжения.
Предлагаемая ловушка состоит из 8 электродов, которые могут быть изготовлены из титана с золотым покрытием, или из меди с комбинированным платиново-золотым покрытием, или из золота, а также двух алюмооксидных монтажных плат с медным покрытием. Набор электродов включает 4 электрода-лезвия, на два противолежащих из которых подается переменное электрическое поле, 2 торцевых электрода, используемых для удержания ионов вдоль оси ловушки, и два компенсационных электрода для компенсации внешних электрических полей. На одной из алюмооксидных плат присутствуют монтажные отверстия, необходимые для установки ловушки внутри вакуумной камеры. Выбор материалов электродов обусловлен требованиями к магнитным свойствам материала, требованиям к свариваемости с медью, требованиям к высокой теплопроводности и требованиям к малому коэффициенту теплового расширения. Дополнение золотого покрытия обусловлено требованием к окисляемости и проводимости, в случае если электроды изготовлены не из золота.
Геометрия расположения электродов 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 ловушки соответствует линейной конфигурации радиочастотной ловушки Пауля с возможностью аксиального удержания и компенсации паразитных электрических полей, такой же, как и у указанных близких аналогов, а также используются близкие величины рабочего напряжения и расстояния между электродами-лезвиями. За счет более высокой температурной стабильности ловушки возможна компенсация уменьшения секулярных частот из-за увеличения расстояния между электродами с 0,3 мм соответственно прототипу до 0,5 мм путем увеличения напряжения управляющего сигнала.
Для изготовления ловушек, используемых в приложениях квантовых вычислений, не допускается использование ферромагнитных материалов, располагаемых непосредственно вблизи области локализации ионов. Это требование обусловлено тем, что при использовании ферромагнетиков, в области локализации может возникать паразитное плохо контролируемое магнитное поле, приводящее к появлению паразитных Зеемановских сдвигов частот атомных переходов, используемых для реализации квантовых операций. Данные сдвиги способны существенным образом снизить достоверность выполнения квантовых операций, а также снизить времена когерентности ионных кубитов. Ввиду данных факторов необходимо использовать либо чистое золото для изготовления электродов, либо покрывать электроды золотом.
Золотое покрытие электродов выполняет три функции. Первая из них -защита от окисления. Одной из ключевых характеристик ловушки являются темпы нагрева ионов, которые возрастают, в частности, в присутствии в прямой видимости относительно ионов диэлектрических материалов. Так как оксидные пленки проявляют диэлектрические свойства, требуется покрывать поверхность благородным металлом непосредственно после электроэрозионной полировки электродов. Вторая функция золотого покрытия заключается в снижении нагрева и, как следствие, деформации ловушки ввиду омических потерь. Для управляющего сигнала на частоте 20 МГц, характерной для используемой ловушки, толщина скин-слоя в золоте составляет около 17 мкм, при этом проводимость золота составляет 45,5 МСм/м, превышая проводимость титана примерно в 30 раз, и уступает только серебру и меди, которые не подходят для использования в качестве покрытия ввиду их окисляемости. Также золото обладает существенно более высокой теплопроводностью. Допустимо изготовление непосредственно самих электродов из чистого золота или из покрытой золотом меди.
Изготовление электродов 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 осуществляется методом электроэрозионной обработки, так как данный метод обеспечивает точности линейных размеров лучше 5 мкм и шлифовку поверхностей с шероховатостью лучше Ra 0,4, а также позволяет обеспечить цилиндрическую форму торцов электродов, необходимую для снижения отклонения формы электрического потенциала в ловушке от гиперболического.
В качестве несущей конструкции для ионной ловушки используются алюмооксидные платы с медным покрытием, изготовленные по технологии Direct Bonded Copper. Данные платы обладают рядом преимуществ: они позволяют осуществить монтаж методом сварки за счет медного покрытия, что обеспечивает отсутствие подвижных элементов в конструкции и увеличивает механическую стабильность при изменении температуры, а также обладают высокой теплопроводностью, что снижает влияние омических потерь при функционировании и, в особенности, при изменении параметров управляющего сигнала ловушки на геометрию ловушки и допускают отжиг при высоких температурах до 450°С. Также они выступают в роли изоляторов по отношению к электродам ловушки. При этом, в отличие от прототипа, в предлагаемой ионной ловушке не предъявляются высокие требования к точности изготовления изоляторов, так как обеспечение точности установки электродов обеспечена следующим образом: для обеспечения геометрии, соответствующей чертежу, используются вспомогательные шаблоны 11, 12, изготовленные из нержавеющей стали методом электроэрозионной обработки. На монтажных платах 1, 2 с помощью травления формируются разрывы в проводящей поверхности, обеспечивающие электрическую изоляцию между областями, на которых будут установлены электроды 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10. Ширины разрывов составляют не менее 0,5 мм, что соответствует расстоянию между электродами-лезвиями в ловушке и обеспечивает отсутствие электрического пробоя при функционировании ловушки. Монтажная плата 1 устанавливается на горизонтальную поверхность, и на ней располагается шаблон 11 с установленными внутрь шаблона электродами 3, 4, 5, 7, 8, 9, 10, кроме одного торцевого электрода 6. После этого шаблон 11 приподнимается над поверхностью монтажной платы 1 на высоту, достаточную для проведения микродуговой сварки электродов с поверхностью монтажной платы 1, и проводится сварка. Монтажная плата 2 устанавливается на горизонтальную поверхность, и на нее устанавливается торцевой электрод 6. Затем на монтажную плату 2 устанавливается заготовка вместе с монтажной платой 1 с использованием шаблона 12, после чего процедура сварки повторяется с монтажной платой 2. Для подвода электрических сигналов провода привариваются непосредственно к торцам электродов 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10.
Таким образом достигается заявляемый технический результат, а именно, стабильность работы сварной ловушки и обеспечение возможности произведения внутривакуумного отжига ловушки и вакуумной камеры для дегазации поверхностей с сохранением исходной геометрии ловушки.
Такое техническое решение обеспечивает высокую точность расположения электродов и стабильность геометрии ловушки при изменении температуры в широком диапазоне, а также исключает необходимость точной обработки изоляторов при изготовлении.