Development of a Method for Estimating Locations of Laser-Induced Stray Charges in Surface-Electrode Ion Traps

Abstract

The development of a universal quantum computer based on surface-electrode ion traps has gained significant attention in recent years due to their scalability, reproducibility, and integration capabilities. However, the small distance between trapped ions and the nearest electrode renders these traps highly sensitive to even slight variations in surrounding electric fields. Of particular concern is the issue of stray electric fields originating from the trap surface, which can induce undesired micromotion of the ions and have a detrimental impact on the fidelity of quantum-gate operations. A laser-induced stray charge is one of the sources that cause stray electric fields at the location of trapped ions. The stray charge typically occurs when photoelectrons emitted from electrode surfaces accumulate on nearby dielectric surfaces. Since the amount of laser-induced stray charges varies over time, it becomes challenging to keep the stability of trapped ions over extended periods solely by compensating for previously observed stray electric fields, and therefore periodic compensation for the stray electric fields is required. Additionally, ion traps commonly utilize high-frequency lasers, which raises the possibility of stray charges being generated by the lasers. When the laser-induced stray charges become problematic, the suppression of such charges is inefficiently achieved by adjusting the laser propagation paths using trial and error, as the locations of the stray charges are unknown. In this dissertation, a method for estimating the locations of laser-induced stray charges in surface-electrode ion traps is developed. How the electric potential at the ion location changes in the presence of an electric charge is theoretically modeled, and the resulting shift in the secular frequency is derived from the potential change. By analyzing the secular frequency shift, the model enables inverse estimation of stray charge locations under certain conditions. Specifically, measurements of the secular frequency shift can be performed at multiple ion locations in surface-electrode ion traps, resulting in the unique determination of stray charge locations. To verify the effectiveness of the proposed method, simulations are conducted for scenarios where stray charges occur at various locations, and the resulting secular frequency shifts are observed at multiple ion positions. The locations of stray charges are then estimated from the secular frequency shifts observed in the simulation results, and the estimated locations are compared with those derived from the theoretical model. Experimental evaluation of the proposed method is also carried out by intentionally producing electric charges at a single location using a laser, and by measuring the resulting secular frequency shift. The location of produced charges is estimated from the measurement result, and the estimated location is consistent with the spot where the laser is irradiating. The results show that the developed method is capable of accurately determining the locations of laser-induced stray charges in surface-electrode ion traps, which can contribute to enhancing the reliability and stability of ion-trap quantum computing systems efficiently.

최근 평면 이온 트랩을 기반으로 한 양자 컴퓨터의 개발은 평면 이온 트랩의 확장성과 재현성, 광학 및 전자 부품의 집적 가능성 덕분에 많은 관심을 받고 있다. 하지만, 평면 이온 트랩에 포획된 이온은 주변 전극과 가깝기 때문에, 주변 전기장의 변화에 매우 취약하다는 문제가 있다. 특히, 이온 트랩 표면에서 유도되는 표유 전기장은 포획된 이온의 원하지 않는 미세 진동을 유발하여, 이온을 이용한 양자 게이트 동작의 신뢰도에 악영향을 미칠 수 있다. 레이저로 인해 유도된 표유 전하는 이온의 위치에 표유 전기장을 가하는 원인 중 하나다. 레이저로 인해 유도된 표유 전하는 일반적으로 전극 표면에서 방출된 광전자가 주변 절연층에 축적되며 발생한다. 레이저로 인해 유도된 표유 전하가 발생하는 양은 시간에 따라 변하기 때문에, 관측된 표유 전기장을 한 차례 상쇄하는 것만으로는 오랜 시간 동안 포획된 이온을 안정적으로 유지하기 어려워, 주기적으로 표유 전기장을 보상해야 한다. 또한, 이온 트랩은 일반적으로 고주파 레이저를 사용하기 때문에, 항상 레이저로 인해 표유 전하가 발생할 가능성이 존재한다. 현재는 레이저로 인해 유도된 표유 전하가 의심되는 경우, 표유 전하의 위치를 알 수 없기 때문에, 비효율적으로 시행 착오를 거쳐 이온의 위치나 레이저 경로를 조절함으로써 표유 전하의 발생을 억제하고 있다. 본 학위 논문에서는 평면 이온 트랩에 레이저로 인해 유도된 전하의 위치를 추정하는 방법을 제안하였다. 이를 위해, 표유 전하가 발생했을 때 트랩 전위가 어떻게 변하는 지 이론적인 모델을 세운 후, 이론 모델로부터 이온의 주파수가 어떻게 변하는 지 도출하였다. 이 모델을 특정 조건 하에 역으로 이용하여, 관측된 주파수의 변화로부터 표유 전하의 위치를 추정할 수 있다. 구체적으로, 평면 이온 트랩에서는 여러 이온의 위치에서 주파수의 변화를 측정할 수 있기 때문에, 표유 전하의 위치를 유일하게 결정하기 위해 필요한 횟수만큼 주파수 변화 측정 결과를 확보할 수 있다고 가정하였다. 제안하는 방법의 실효성을 검증하기 위해, 표유 전하가 다양한 위치에서 발생한 상황에 대하여 시뮬레이션을 진행한 후, 여러 이온의 위치에서 주파수의 변화를 관측하였다. 표유 전하의 위치는 시뮬레이션 결과에서 관측된 주파수로부터 추정한 후, 이론 모델을 통해 계산한 결과와 비교하였다. 실험적으로도 개발한 방법의 효용성을 검증하기 위해, 레이저를 이용하여 의도적으로 전하를 생성한 후, 이온의 위치를 옮겨가며 주파수의 변화를 측정하였다. 측정 결과로부터 생성된 전하의 위치를 추정하였고, 추정된 전하의 위치는 카메라를 통해 확인할 수 있는 레이저를 조사한 위치와 오차 범위 이내로 일치하였다. 본문에서 개발한 방법을 이용하여 레이저로 인해 유도된 표유 전하의 위치를 파악함으로써 표유 전하를 효율적으로 억제할 수 있을 것으로 예상되며, 나아가 이온 트랩 기반의 양자 컴퓨팅 시스템의 신뢰성과 안정성을 효율적으로 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.