Qubit Operations in a Silicon based Ion Trap Chip protected from Semiconductor Charging = 실리콘 기반 이온 트랩 칩을 활용한 큐비트 제어 및 연산

국문 초록 (Abstract)

실리콘 기반 이온 트랩 칩은 기존 반도체 공정 기술과의 높은 호환성을 바탕으로, 정밀하고 재현성 있는 공정이 가능하며 다양한 소자의 집적에도 유리하다는 점에서 유망한 양자 컴퓨팅 플랫폼으로 주목받고 있다. 그러나 stray field와 surface noise에 기인한 여러 재료·공정상의 난제가 존재하여, 이온을 이용한 안정적인 양자 연산 구현을 어렵게 만든다.

본 연구에서는 이러한 문제 가운데 semiconductor charging에 초점을 맞춘다. 노출된 실리콘 기판의 표면 및 벌크 전역에서 광유도 전하 운반자가 여기되면 표면 광전압(surface photovoltage)이 형성되고, 이는 이온의 운동 상태를 크게 교란한다. 이를 정량적으로 이해하기 위해, (i) 시간에 따라 변하는 외부 전기장 하에서 이온의 운동을 기술하는 일반적인 양자역학적 이론 틀과, (ii) surface defect를 경계 조건으로 포함한 반도체 방정식을 풀어 얻은 미시적 semiconductor charging이라는 두 가지 상보적 모델을 제시한다.

기존에는 이온의 변위를 실공간에서 이미징하고 그로부터 stray field를 추정하는 방식이 주로 사용되었다면, 본 연구에 이온의 역학에 민감한 큐비트 연산을 활용하여, 특히 이미징으로는 측정하기 어려운 방향을 포함해 stray field를 직접적으로 측정할 수 있다는 점에서 차별성을 갖는다. 제시한 semiconductor charging model은 모든 관측 데이터를 일관되게 설명해 주며, 건식 식각된 실리콘의 표면에 분포한 defect가 이러한 특이한 charging의 주된 요인임을 시사한다.

본 분석을 바탕으로, 공정 팀은 노출된 실리콘 표면을 모두 금으로 증착한 새로운 칩을 개발하는 데 성공하였다. 이때 공정상 가장 큰 과제는 deep reactive ion etching (DRIE) 공정으로 인해 거칠어진 식각 면 위에 금을 균일하게 증착하는 것이었다. 새로 제작된 칩에서는 semiconductor charging이 실질적으로 무시할 수 있을 정도까지 억제되었음을 실험적으로 보였으며, 이를 통해 광유도 전하 운반자 모델을 검증하였다. 나아가 이 칩을 활용하여 이온의 운동을 coherent하게 제어함으로써 sideband cooling과, 궁극적으로 two-qubit 게이트 구현까지 달성할 수 있음을 보였다.

개선된 칩을 이용하여, 원래 stray field 검출을 위해 도출한 이온 운동의 일반화된 양자역학 모델을 실험적으로 검증하는 작업도 수행하였다. 그 결과, true RF null로부터 상당히 떨어진 위치에서도 이온이 micromotion에 의해 영향을 받지 않는 것처럼 빛에 반응하는 영역인 radio-frequency (rf) pseudonull 개념을 도입하게 되었다. 레이저 빔과 운동 모드 구조의 overlap으로부터 유도된 effective 라비 주파수 분포의 이차원 맵은, 칩 기반 환경에서 게이트와 상태 준비·측정(SPAM) 연산을 정밀하게 특성화하기 위한 핵심 도구로 기능한다.

마지막으로, 다채널 음향-광 변조기(AOM)를 이용해 레이저를 각 큐비트에 개별적으로 조사하고, 광섬유 array에 연결된 광전증폭관(PMT)을 통해 양자 상태를 독립적으로 측정할 수 있도록 구축한 5-큐비트 제어 시스템을 소개한다. 특히, RF system-on-chip (RFSoC)을 활용하여 이온 배열에서 sub-Doppler cooling을 수행하고, 3-큐비트 이온 체인에서 임의의 큐비트 쌍 간 얽힘 생성을 구현한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Silicon-based ion trap chips are an appealing platform for quantum computing due to their compatibility with existing semiconductor production technology that allows for precise, replicable, and device-integrable fabrication. However, there exist materials challenges linked to stray fields and surface noise, impeding operations with the trapped ions.

Here, we focus on semiconductor charging, where photoinduced charge carriers are excited throughout the surface and the bulk of the exposed silicon substrate, generating exotic surface photovoltage that significantly disturbs the ion motion. For the analysis, we developed two complementary models: (i) a general quantum mechanical framework for trapped ions in time-dependent external electric fields; and (ii) a microscopic semiconductor charging model obtained by solving the semiconductor equations with surface defect boundary conditions. In contrast to prior work that characterizes stray fields from real-space imaging of the ion displacement, our approach enables direct measurement of the electric field using motion-sensitive qubit operations, especially along directions that are inaccessible via imaging. The semiconductor charging model provides a consistent description for all observed data and indicates that defects populated on the exposed surface of dry-etched silicon are the primary source of the peculiar charging behavior.

Subsequently, a chip was successfully delivered in which all exposed silicon surfaces were coated with gold. The main fabrication challenge was to achieve a uniform gold deposition on the etched surfaces, which were highly corrugated due to the deep reactive ion etching (DRIE) process, which was eventually mitigated through a subsequent scallop-removal step. We experimentally demonstrated that semiconductor charging is suppressed to a negligible level, thereby validating the photoinduced charge carrier model. With the new chip, we could coherently control the ion motion, achieving sideband cooling and eventually two-qubit gates.

Using the improved chip, we conducted experiments to validate the generalized quantum mechanical model of ion motion originally developed for stray field detection. This analysis revealed the notion of the radio-frequency (rf) pseudonull, a locus of points within the dynamic trapping plane where the ion responds to light as if it is not driven by micromotion, even when significantly displaced from the true rf null. The resulting two-dimensional map of the effective Rabi frequency landscape imposed by the laser beams on the underlying motional mode structure serves as a critical characterization tool for gate and state-preparation-and-measurement (SPAM) operations in chip-based environments.

Finally, we present a 5-qubit individual control system in which qubits are independently addressed using a multichannel acousto-optic modulator (AOM) and detected via dedicated photomultiplier tube (PMT) channels coupled through a fiber array. Using this platform, we demonstrate sub-Doppler cooling of the ion array and entanglement generation between arbitrary qubit pairs in a 3-qubit ion chain, enabled by an RF system-on-chip (RFSoC)-based control system.

목차 (Table of Contents)

• 1. Introduction
• 2. Ion Trap Basics
• 3. Quantum Mechanical Theory of Trapped Ion Motion
• 4. Photoinduced Charge Dynamics in Semiconductors
• 5. Qubit Operations in a Gold-coated Chip
• 6. The RF Pseudonull Induced by Light
• 7. Experimental System Setup
• 8. Conclusion