KR20240095093A

KR20240095093A - 이온 포획 장치의 제조방법 및 이온 포획 장치에 사용되는 전극의 제조방법

Info

Publication number: KR20240095093A
Application number: KR1020240054309A
Authority: KR
Inventors: 이문주; 김명훈
Original assignee: 포스코홀딩스 주식회사; 포항공과대학교 산학협력단
Priority date: 2022-12-16
Filing date: 2024-04-23
Publication date: 2024-06-25
Also published as: KR20240094888A

Abstract

본 발명은 이온 포획 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 양자 컴퓨팅에 사용되는 이온 포획 장치에 관한 것이다.
본 발명의 한가지 측면에 따른 이온 포획 장치의 제조방법은, 각각 가상의 중심축의 반경 방향 및 상기 중심축 방향으로 연장하는 제1 RF 전극, 제1 DC 전극, 제2 RF 전극 및 제2 DC 전극을 가상의 중심축의 둘레방향으로 순서대로 배치하는 단계; 및 상기 제1 RF 전극, 상기 제1 DC 전극, 상기 제2 RF 전극 및 상기 제2 DC 전극을 경계로 하여 구분되는 4개의 공간 중 하나의 공간에서 상기 중심축 방향으로 연장하는 봉 형상의 한 쌍의 보상 전극을 배치하는 단계를 포함하고, 상기 제1 DC 전극 및 상기 제2 DC 전극은 각각 전기적으로 절연된 복수개의 세그먼트를 포함하는 것일 수 있다.

Description

이온 포획 장치의 제조방법 및 이온 포획 장치에 사용되는 전극의 제조방법{PRODUCING METHOD FOR ION TRAPPING DEVICE AND PRODUCING METHOD FOR ELECTRODE USED IN ION TRAPPING DEVICE}

본 발명은 이온 포획 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 양자 컴퓨팅에 사용되는 이온 포획 장치에 관한 것이다.

양자컴퓨터는 고사양의 상용컴퓨터 혹은 슈퍼컴퓨터가 해결할 수 없는 문제들을 풀 수 있다. 예를 들어, 양자컴퓨터에서 쇼어 알고리즘(SIAM J. Comput. 26, 1484 (1997))을 이행하면 현재 보안에 사용되는 RSA타입의 대부분의 암호가 해독 가능하다. 최근 IBM, 구글 등의 IT기업들은 양자기술 분야에 수 조원 규모의 투자를 하였고, 구글은 2019년 10월 53큐비트 양자컴퓨터가 슈퍼컴퓨터로는 10000년이 걸릴 문제를 200초만에 해결하였다는 것을 발표하였다(Nature 574, 505 (2019)).

그런데, 양자컴퓨터를 이용해 더 실제적인 문제를 해결하기 위해서는 제어 가능한 큐비트의 개수를 최대한 늘려야 한다. 이온 트랩 기반 양자컴퓨터의 경우는 RF, DC 전기장을 이용해 포획한 이온의 양자 상태를 제어하여 큐비트로 사용하는 방식으로, 높은 신뢰도의 양자게이트 이행과 긴 coherence time, 원하는 정확한 개수의 입자를 포획하고 이를 장시간 유지할 수 있다는 장점을 가지며 양자컴퓨팅에 적합한 시스템 중 하나로 연구되고 있다. 해당 시스템의 경우 포획하여 제어 가능한 이온의 숫자에 의해 큐비트의 개수가 결정되기 때문에 다수의 이온을 안정적으로 포획하는 것이 중요하다. 현재까지 개발된 결과에 따르면 하나의 모듈에 최대 100개 정도의 이온을 포획할 수 있으나, 안정적으로 이온을 포획하고 이를 활용한 양자 컴퓨팅을 위해서는 여러가지 기술적인 난관을 극복하여야 한다. 대부분의 포획된 이온은 트랩(trap)의 RF 포텐셜(potential)의 널 포인트(null point)가 아닌 RF, DC, 조립 오차 등이 모두 고려된 널 포인트에 위치해 있으며, 이러한 상태의 이온은 RF 필드(field)를 겪으며 진동하는 안정적인 이온 포획에 불필요한 마이크로모션(micromotion)을 겪게 된다. 또한 유전체가 뷸균일한 전극 표면 근처에서의 포텐셜 에너지의 왜곡으로 인하여 포획된 이온이 가열되거나 불안정해지는 현상이 일어날 수 있다. 이온 트랩 양자컴퓨팅을 위한 높은 신뢰도의 양자게이트 이행, 그리고 이를 이행할 수 있는 충분하게 긴 결맞음 시간(coherence time)을 확보하기 위해서는 포획 장치 제작 과정에서 필연적으로 발생하는 이온의 마이크로모션과 포텐셜 에너지의 왜곡을 해결하여 장기간, 안정적인 이온 포획을 할 수 있어야 한다. 이와 함께 포획된 이온의 양자상태를 최대한 레이저 조사에 의해서만 정밀하게 제어할 수 있는 것 양자 컴퓨팅에 중요한 요구사항이다.

본 발명의 한가지 구현례에 따르면, 안정적으로 이온을 포획할 수 있는 신규한 이온 포획 장치가 제공된다.

본 발명의 다른 한가지 구현례에 따르면, 이온의 중첩 상태 관찰과 레이저 조사가 자유로운 이온 포획 장치가 제공된다.

본 발명의 한가지 측면에 따른 이온 포획 장치의 제조방법은 각각 가상의 중심축의 반경 방향 및 상기 가상의 중심축 방향으로 연장하는 제1 RF 전극, 제1 DC 전극, 제2 RF 전극 및 제2 DC 전극을 상기 가상의 중심축의 둘레방향으로 순서대로 배치하는 단계; 및 상기 제1 RF 전극, 상기 제1 DC 전극, 상기 제2 RF 전극 및 상기 제2 DC 전극을 경계로 하여 구분되는 4개의 공간 중 하나의 공간에서 상기 가상의 중심축 방향으로 연장하는 봉 형상의 한 쌍의 보상 전극을 배치하는 단계를 포함하고, 상기 제1 DC 전극 및 상기 제2 DC 전극은 각각 전기적으로 절연된 복수개의 세그먼트를 포함하는 것일 수 있다.

이때, 상기 제1 RF 전극, 상기 제2 RF 전극, 상기 제1 DC 전극 및 상기 제2 DC 전극 중의 적어도 하나의 전극은, 세라믹 기판을 준비하는 단계; 상기 세라믹 기판의 선단을 테이퍼 형상으로 가공하는 단계; 상기 세라믹 기판에 그루브를 형성하여 전기적으로 절연된 복수의 세그먼트로 구분하는 단계; 및 상기 세라믹 기판에 금속 코팅을 실시하여 전극을 얻는 단계를 포함하는 과정에 의하여 얻어지는 것일 수 있다.

또한, 선단이 테이퍼 형상으로 가공된 상기 전극의 테이퍼 영역에서 상기 전극의 양 면이 가지는 각도가 15.8~16.2 °이며, 상기 전극의 상기 가상의 중심축 쪽 선단에서의 두께가 45~55 ㎛가 되도록 할 수 있다.

그리고, 상기 적어도 하나의 전극이 제1 DC 전극 또는 상기 제2 DC 전극이고, 각 그루브에 의해 구분된 세그먼트에 구멍을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.

그리고, 상기 금속 코팅 전에 스퍼터링을 이용하여 기판에 부착층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 제1 RF 전극과 상기 제2 RF 전극은 동일한 평면상에 위치하며 상기 가상의 중심축을 기준으로 상호 대칭적인 관계를 가지며, 상기 제1 DC 전극과 상기 제2 DC 전극은 동일한 평면 상에 위치하며 상기 가상의 중심축을 기준으로 상호 대칭적인 관계를 가지도록 하는 것일 수 있다.

또한, 상기 세라믹 기판은 알루미나이며 상기 금속은 금일 수 있다.

또한, 상기 한 쌍의 보상 전극은 상기 가상의 중심축으로부터 반경 방향으로 실질적으로 동일한 거리만큼 이격되어 배치될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 이온 포획 장치에 사용되는 전극의 제조방법은 세라믹 기판을 준비하는 단계; 상기 세라믹 기판의 선단을 테이퍼 형상으로 가공하는 단계; 상기 세라믹 기판에 그루브를 형성하여 전기적으로 절연된 복수의 세그먼트로 구분하는 단계; 및 상기 세라믹 기판에 금속 코팅을 실시하여 전극을 얻는 단계를 포함할 수 있다.

이때, 선단이 테이퍼 형상으로 가공된 상기 전극의 테이퍼 영역에서 상기 전극의 양 면이 가지는 각도가 15.8~16.2 °이며, 상기 전극의 상기 가상의 중심축 쪽 선단에서의 두께가 45~55 ㎛가 되도록 할 수 있다.

또한, 상기 금속 코팅 전에 스퍼터링을 이용하여 기판에 부착층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.

그리고, 상기 세라믹 기판은 알루미나이며 상기 금속은 금일 수 있다.

또한, 상기 복수의 세그먼트에 구멍을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 이온 포획장치는 축을 중심으로 한 둘레 방향으로 RF(Radio Frequency) 전극과 DC(직류) 전극이 순차적으로 형성되어 있으며, RF 전극과 DC 전극의 사이 공간에 두개의 보상 전극이 간격을 두고 설치되어 있기 때문에 안정적인 이온의 포획이 가능하다.

그 뿐만 아니라, 본 발명의 한가지 구현례에 따르면, 이온 포획 장치의 각 전극들은 세라믹 기판에 금을 코팅할 수 있는데, 이러할 경우 산화되지 않고 안정적인 전극을 얻을 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 한가지 구현례에서는 보상 전극이 간격을 두고 설치되기 때문에 여러 방향에서 레이저의 조사 및/또는 이온의 관찰이 자유로울 수 있다.

도 1은 본 발명의 한가지 구현례에 따른 이온 포획 장치를 나타내는 사시도,
도 2는 본 발명의 한가지 구현례에 따른 이온 포획 장치의 전극을 제조하는 과정을 보여주는 공정 흐름도,
도 3은 테이퍼 가공된 전극의 선단부의 형상을 나타내는 단면도,
도 4는 본 발명의 일 실시예에서 제조된 알루미나 기판을 관찰한 사진,
도 5는 본 발명의 일 실시예에서 제조된 RF 전극과 DC 전극을 관찰한 사진,
도 6은 본 발명의 일 실시예에서 제조된 이온 포획 장치를 초고진공 챔버 내에 설치한 형상을 관찰한 사진, 그리고
도 7은 본 발명의 일 실시예에서 제조된 이온 포획 장치(a)의 이온 포획 구간에서 이온이 포획된 것을 관찰한 결과 (b, c, d)를 나타내는 사진이다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시예에 제한되지 아니한다.

예를 들어, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 구성요소의 추가, 변경 또는 삭제 등을 통하여, 본 발명 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본원 발명 사상의 범위 내에 포함된다고 할 것이다.

아울러, 명세서 전체에서, 어떤 구성요소를 '포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 본 명세서에서 '상하(위아래)', '전후(앞뒤)' 또는 '좌우(왼쪽오른쪽)'로 구별되는 것은 물리적인 절대적인 위치관계를 의미하는 것이 아니며, 자연현상에 반하거나 명백하게 구현이 불가능한 경우가 아니라면 위에 있다고 하더라도 아래에 존재하는 형상으로 구현될 수 있다는 점에 유의할 필요가 있다. 또한, 명세서에서 예시되는 x, y, z 방향은 이해를 돕기 위하여 사용되는 직교 좌표계를 의미하는 것으로서, 도면에서 예시되는 x, y, z 방향에 국한되는 것이 아니다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

도 1에 본 발명의 이온 포획 장치(1)의 한가지 예시를 나타내었다. 도면에서 확인할 수 있듯이, 본 발명의 이온 포획 장치(1)는 2개의 RF 전극(10a, 10b)과 2개의 DC 전극(20a, 20b)을 포함한다. 편의상 2개의 RF 전극을 제1 RF 전극(10a)과 제2 RF 전극(10b)으로 나누어서 부르고, 2개의 DC 전극을 제1 DC 전극(20a)과 제2 DC 전극(20b)으로 나누어서 부를 수 있다. 다만, 제1 RF 전극과 제2 RF 전극은 두 개의 구분되는 전극을 의미하기 위한 것일 뿐, 이들 사이의 위치관계(예를 들면 반드시 제1 RF 전극이 위쪽에 위치, 또는 제1 RF 전극이 왼쪽에 위치)를 한정하기 위한 것은 아니며, 제1 DC 전극과 제2 DC 전극에 대해서도 동일하다.

상기 RF 전극들(10a, 10b)과 DC 전극들(20a, 20b)는 예를 들어 z 방향으로 연장하는 가상의 중심축의 둘레 방향으로 제1 RF 전극(10a), 제1 DC 전극(20a), 제2 RF 전극(10b), 제2 DC 전극(20b)의 순서대로 순차적으로 배치될 수 있다. 상기 순서의 시작점이 반드시 도 1에 도시한 바와 같이 좌측 상부가 될 필요는 없다. 상기 제1 및 제2 RF 전극 그리고 상기 제1 및 제2 DC 전극 각각은 상기 가상의 중심축의 반경 방향과 z 방향으로 연장할 수 있으며, 본 발명의 한가지 구현례에서 상기 각각의 전극들은 블레이드 형상을 가질 수 있다. 상기 가상의 중심축 전, 후 방향에 엔드 캡(end cap) 방식으로 DC 전극을 설치하는 방식에 비하여 본 발명은 가상의 중심축의 둘레 방향으로 DC 전극을 설치하기 때문에 축방향으로도 레이저 조사 또는 이온 관찰이 가능할 수 있다.

여기서 RF 전극은 교류 전원에 의하여 진동하는 전기장을 형성함으로써 이온을 반경방향(x 방향 및 y 방향)으로 고정시키는 역할을 하며, DC 전극은 길이 방향(z 방향)으로 이온의 위치를 고정하는 역할을 한다.

마주보는 두개의 RF 전극들(10a, 10b)은 동일한 평면 상에 위치하며 상기 가상의 중심축을 기준으로 상호 대칭적인 관계에 있다. 마주보는 두개의 DC 전극들(20a, 20b) 역시 동일한 평면 상에 위치하며 상기 가상의 중심축을 기준으로 상호 대칭적인 관계를 가진다. 따라서, 각 전극들의 선단은 상기 가상의 중심축을 향하도록 형성될 수 있다. 본 발명에서 각 전극들이 동일한 평면 상에 위치한다는 것은 각 전극들의 두께 중심을 지나는 면이 동일한 평면 상에 위치한다는 것을 의미할 수 있다. 후술하는 바와 같이 전극의 일부에 테이퍼 영역이 형성될 경우에는 상기 테이퍼 영역을 제외한 영역의 두께 중심을 지나는 면을 의미할 수 있다.

각각의 전극들은 예를 들어 알루미나와 같은 세라믹 기판에 금과 같은 금속이 코팅된 블레이드 형태를 가질 수 있다. 한가지 예시적인 구현례에 따라 기판을 금으로 코팅할 경우에는 화학적으로 안정한 전극을 얻을 수 있다. 이온이 불안정해질 경우에는 목적하는 위치로 이온을 포획하는 것이 어려워질 수 있다. 상기 코팅의 두께는 1~3.5 ㎛일 수 있다. 만일 금속 코팅층 아래에 부착을 촉진하기 위하여 부착층(adhesion layer)를 형성시킬 경우에는 상기 코팅 두께는 부착층의 두께까지 포함하는 것으로 볼 수 있다. 부착층의 두께는 100 nm 이하일 수 있으며, 본 발명의 한가지 구현례에서는 10~100 nm일 수 있다.

본 발명의 한가지 구현례에서 RF 전극은 각각 전기적으로 일체적으로 형성되어 있는 반면, DC 전극은 각각 전기적으로 절연된 복수개의 세그먼트를 포함하고 있어서 이온이 포획되는 위치에서 z 방향으로 전기장의 구배를 형성시킬 수 있다. 세라믹 기판에 금속이 코팅된 형태의 블레이드 전극을 사용하는 경우에, 상기 금속 코팅층을 구획하고 상기 구획된 각각의 금속 코팅층을 절연물질로 격리함으로써 복수개의 절연된 세그먼트로 구성된 DC 전극을 제조할 수 있다. 전기적으로 일체적으로 형성된 RF 전극 제조시에는 이와 같은 절연 작업이 필요 없을 수 있다. 상기 각 세그먼트들 사이의 경계는 상기 가상의 중심축 쪽에 가까이 형성된 전극의 선단으로 향해갈 수록 한 곳(이온 포획 영역)으로 향하여 결국 이온의 정렬에 참여하는 모든 세그먼트들의 전단의 적어도 일부가 이온 포획 영역에 포함될 수 있도록 된다.

상기 제1 및 제2 RF 전극과 상기 제1 및 제2 DC 전극 중 하나 또는 둘 이상은 전극의 일부 또는 전부 영역에서 상기 가상의 중심축을 향해 갈수록 그 두께가 감소되는 테이퍼 영역을 가질 수 있다. 상기 테이퍼 영역에서 전극의 양 면이 가지는 각도는 15.8 ° ~16.2 °일 수 있으며, 상기 전극의 상기 가상의 중심축 쪽 선단에서의 두께는 48~52 ㎛일 수 있다. 또한, 본 발명의 한가지 구현례에서 상기 전극의 두께는 0.2 ~ 0.4 mm 일 수 있다. 본 발명의 한가지 구현례에서 상기 전극의 두께는 상기 테이퍼가 형성되지 않고 전, 후면이 평행한 영역의 두께를 의미할 수 있으며, 만일 전극의 전체 영역이 테이퍼 형상을 가진다면 가장 두꺼운 위치에서의 두께를 의미할 수 있다.

그리고, 상기 제1 및 제2 RF 전극과 제1 및 제2 DC 전극 중 하나 또는 둘 이상은 하나 또는 둘 이상의 미세 가공된 구멍(hole)(40)을 포함할 수 있다. 상기 구멍(40)은 전원과의 접속을 위한 것으로서, 전극이 상호 절연된 세그먼트로 구성될 경우에는 세그먼트 별로 상기 구멍(40)이 포함될 수 있다.

도 1에 의하여 참조적으로 예시되는 구성에 따르면, 각각의 RF 전극과 DC 전극에 의하여 4개의 공간으로 분리될 수 있다. 즉, 상기 4개의 공간은 하나의 RF 전극과 하나의 DC 전극에 의하여 경계를 가질 수 있다. 본 발명의 설명하기 위한 하나의 예시에서 상기 공간의 예시는 상기 하나의 RF 전극과 상기 하나의 DC 전극의 반경 방향 에지부에서 원 둘레 방향으로 연장하는 둘레선(면)이 될 수 있으나, 반드시 이에 한정하지 않고, 상기 하나의 RF 전극과 상기 하나의 DC 전극이 반경방향으로 무한 연장되는 것을 공간으로 구분할 수 있다. 이때, 각각의 공간 중 적어도 하나의 공간에 보상 전극이 배치될 수 있다. 보상 전극은 z 방향(상기 가상의 중심축의 연장 방향과 동일한 방향)으로 연장되는 봉(rod)의 형상을 가질 수 있으며, 한가지 구현례에서 텅스텐과 같은 금속 재질로 이루어질 수 있다. 또한, 본 발명의 한가지 구현례에서는 하나의 공간에 한 쌍(두 개)의 보상 전극이 배치될 수 있다. 하나의 공간에 배치된 한 쌍의 보상 전극은 이온의 미세 운동을 보상하기 위한 것으로서, 이를 통하여 보다 안정적인 이온의 포획이 가능하게 된다.

상기 한 쌍의 보상 전극은 상기 가상의 중심축으로부터 반경 방향으로 실질적으로 동일한 거리만큼 이격되어 배치될 수 있다. 여기서 실질적으로 동일한 거리라 함은 하나의 보상 전극과 상기 가상의 중심축 사이의 거리(a)가 다른 하나의 보상 전극과 상기 가상의 중심축 사이의 거리(b) 대비 0.9 내지 1.1 배 사이의 관계에 있다는 것을 의미할 수 있다. 한가지 예시적인 구현례에서 상기 보상 전극과 상기 가상의 중심축 사이의 거리는 2.0 ~ 3.0 mm일 수 있으나 반드시 이로 제한하지는 아니한다. 본 발명에서 거리라 함은 해당 요소의 중심이 아닌 경계까지의 거리를 의미하는 것으로서, 예를 들어 아래에서 설명하는 한 쌍의 보상 전극 사이의 거리는 보상 전극의 경계 사이의 가장 가까운 거리를 의미할 수 있다. 또한, 상기 한 쌍의 보상 전극 각각은 상기 한 쌍의 보상 전극이 위치하는 상기 공간을 상기 가상의 중심축의 둘레 방향으로 균등하게 분할하여 형성되는 두 개의 소공간에 하나씩 각각 배치될 수 있다. 상기 한 쌍의 보상 전극 사이의 거리는 상기 공간의 경계를 형성하는 RF 전극의 팁과 DC 전극의 팁 사이의 거리의 5.6배 내지 6.9 배 일 수 있다. 상기 한 쌍의 보상 전극 사이의 거리가 너무 가까울 경우에는 포획된 이온을 관찰하거나 이온의 양자상태를 제어하기 위하여 조사하는 레이저의 입사 시에 공간적인 제약이 발생할 수 있다. 상기 한 쌍의 보상 전극 사이의 거리의 상한은 특별히 제한할 필요가 있으나, 한가지 예시적인 구현례에서는 상기 한 쌍의 보상 전극이 배치되는 상기 공간에 의한 제약과 상기 보상 전극과 상기 가상의 중심축 사이의 거리를 고려하여 상술한 값으로 제한할 수 있다.

또한, 본 발명의 한가지 구현례에 따르면, 보다 넓은 시야를 확보하기 위하여 상기 제1 및 제2 RF 전극과 상기 제1 및 제2 DC 전극 중 하나 또는 둘 이상은 선단 쪽 에지가 모따기된 형상을 가질 수 있으나 반드시 그러한 형태로 한정되지는 않는다.

본 발명의 한가지 구현례에서는 상기 한 쌍의 보상 전극이 배치되는 공간을 구획하는 RF 전극과 DC 전극은 90 ° 보다 큰 각도를 형성할 수 있으며, 예시적인 구현례에서 110~140 °의 각도를 가질 수 있다. 이와 같이 함으로써, 상기 한 쌍의 보상 전극이 충분한 거리를 두고 이격되면서도 상기 가상의 중심축으로부터 너무 멀리 떨어지지 않게 할 수 있다. 본 발명의 한가지 예시에서는 상기 각도는 120 °일 수 있다. 이와 같이, 전극의 배치를 구현함으로써 본 발명의 한가지 구현례에서는 이온 포획장치의 개구수(NA)를 최대 0.77까지 확보할 수 있다.

(실시예)

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명의 권리범위를 제한하거나 한정하기 위한 것이 아니라는 점에 유의할 필요가 있다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의하여 결정되는 것이기 때문이다.

도 2에 예시된 과정에 의하여 알루미나 기판을 준비하였다. 우선, 모따기된 평판 형상의 두께가 300 ㎛인 알루미나 기판을 준비하였다(S1). 모따기는 다이아몬드 휠을 이용하여 실시하였다. 상기 준비된 알루미나 기판의 선단을 다이아몬드 휠을 이용하여 테이퍼 형상으로 가공하였다(S2). S2 단계에서 가공된 기판의 선단의 형상을 도 3에 나타내었다. 도 3에서 볼 수 있듯이 테이퍼 영역의 한쪽면이 수평면에 대하여 가지는 각도(θ1)은 8.0 °로 확인되었으며, 따라서 대칭 형상을 가지는 테이퍼 영역의 단면에서 전극의 양 면이 가지는 각도는 16.0 °이었다. 이후, 테이퍼 형상의 선단(선단 두께(t, 도 4(b) 참조): 50 ㎛)을 가지는 알루미나 기판에 대하여 레이저 가공을 통하여 그루브를 형성하였다(S3). 도 4(a)에 그루브가 형성된 전극의 형태를 나타내었다. 도 4(b)에 나타낸 바와 같이 그루브가 형성된 기판에 남아 있는 잔여물에 의해 전극의 각 세그먼트끼리 합선(short)가 일어나는 것을 방지하기 위해서 도금 전 1차 piranha cleaning을 진행하였으며, 그럼에도 도금 후 합선(short)이 일어난 부위는 합선된 두 세그먼트 간에 고전류(4~5 A)를 흘려 이를 제거하였다. 또한, 기판의 표면이 거칠 경우에는 균일한 금 도금을 얻을 수 없음에 따라 표면 거칠기를 개선하기 위한 연마(polishing) 작업이 추가로 수행되었다. 그 결과 도 4(c)에 나타낸 바와 같이 매끄러운 표면이 얻어질 수 있었다. 상기 그루브가 형성된 알루미나 기판에 레이저 가공을 통하여 구멍을 형성하였다(S4). 이때 각 그루브에 의해 구분될 수 있는 세그먼트별로 각각의 구멍이 형성되도록 하였다. 단 RF 전극의 경우에는 반드시 그루브를 형성할 필요는 없다.

상술한 과정에 의하여 얻어진 알루미나 기판에 대하여 금 코팅을 실시하였다. 금 코팅 전에는 금의 부착이 용이하도록 DC 스퍼터링을 이용하여 기판에 Ti/Au로 구성된 부착층(adhesion layer)를 30 nm/200 nm의 두께로 먼저 형성하였으며, 이후 전해도금을 실시하여 3 ㎛ 두께의 금 코팅층을 형성하였다. DC 전극의 경우에는 도 5의 (b)에서 흰 부분으로 나타낸 각 세그먼트의 경계에 금속 마스크를 두어서 스퍼터링시에 부착층이 형성되지 않도록 함으로써 이후 금 도금을 실시하더라도 각각의 세그먼트 사이에 전기적인 절연을 보장하였다. 이와 같은 과정을 통하여 알루미나 기판에 금이 코팅된 블레이드 형태의 RF 전극 2개와 DC 전극 2를 얻었다.

도 5에 금 코팅층이 형성된 RF 전극(a)과 DC 전극(b)을 나타내었다. 도면에서 전극의 구멍을 통하여 전극과 연결된 메쉬 형태의 물체는 도금시에 사용된 홀더이다.

도 6에 나타낸 바와 같이, 상술한 과정에 의하여 제조된 RF 전극과 DC 전극을 가상의 중심축의 둘레방향으로 제1 RF 전극, 제1 DC 전극, 제2 RF 전극 및 제2 DC의 순서로 초고진공 챔버 내에 배치하였다. 각각의 전극들은 초고진공 챔버 내에서 주위의 티타늄 홀더에 고정된 알루미나 어댑터에 장착되었다. 마주보는 전극과 전극(예를 들어 제1 RF 전극과 제2 RF 전극 또는 제1 DC 전극과 제2 DC 전극)의 선단 사이의 간극은 500 ㎛로 조절되었으며, 제1 RF 전극과 제1 DC 전극, 그리고 제2 RF 전극과 제2 DC 전극 사이의 각도는 60°로 제어되었고, 제1 DC 전극과 제2 RF 전극 그리고 제2 DC 전극과 제1 RF 전극 사이의 각도는 120 °로 제어되었다. 이와 같이 전극들을 배치함으로써 제1 RF 전극과 제2 RF 전극이 가상의 중심축을 기준으로 축대칭의 관계를 가지면서 동일한 평면 상에 놓이게 되었으며, 제1 DC 전극과 제2 DC 전극이 가상의 중심축을 기준으로 축대칭의 관계를 가지면서 동일한 평면 상에 놓이게 되었다. 상기 제1 RF 전극과 상기 제2 RF 전극은 각각 같은 전선의 길이로 19.5775 MHz, 600 V 고주파 전원과 연결되었으며, 상기 제1 DC 전극과 상기 제2 DC 전극은 각각 직류(DC) 전원과 연결되었다. DC 전극은 도 1의 z 축 방향에서 가장 왼쪽의 세그먼트부터 각각 6.48 V, 3.5 V, -2.2 V, 3.0 V 및 6.2 V의 전압을 인가하였다.

직경 1 mm의 텅스텐 봉으로 형성된 두개의 보상 전극을 제1 RF 전극과 제2 DC 전극 사이의 공간에 설치하였다. 각각의 보상 전극은 상기 가상의 중심축으로부터 각각 2.48 mm 이격되었으며, 상호 2.6 mm의 거리를 가지도록 설치되었다. 상기 각각의 보상 전극은 상기 제1 RF 전극과 상기 제2 DC 전극 사이의 공간을 상기 가상의 중심축의 둘레 방향으로 2등분하는 면을 중심으로 면대칭되도록 배치되었다.

상술한 방식으로 이온 포획 장치를 초고진공 챔버 내에 배치하고 난 이후에, 8.6x10-11 Torr의 초고진공하에서 상기 이온 포획 장치에 전기장 포텐셜을 형성하고, 레이저를 이용한 이온화 및 냉각 기술을 이용하여 이터븀(Yb) 이온의 포획에 성공하였다. 도 7(d)에 본 발명의 실시예에 따른 이온 포획 장치 및 상기 이온 포획 장치의 이온 포획 영역(사각형)을 나타내었다. 도 7(a)는 상기 이온 포획 장치에 의해 포획된 이온 구름(ion cloud)을, 도 7(b)는 단일 이온(single ion)을, 도 7(c)는 두 개의 이온을 관찰한 사진이다.

이와 같이, 본 발명의 이온 포획 장치에 의할 경우 안정적인 이온의 포획과 관찰이 가능하며, 한가지 구현례에서는 이러한 이온 포획 장치를 이용하여 높은 신뢰도(fidelity)를 가지는 다양한 양자 게이트들을 이행할 수 있는 양자 컴퓨터를 개발할 수 있다.

1: 이온 포획 장치
10a, 10b: RF 전극
20a, 20b: DC 전극
30: 보상 전극
40: 구멍

Claims

각각 가상의 중심축의 반경 방향 및 상기 가상의 중심축 방향으로 연장하는 제1 RF 전극, 제1 DC 전극, 제2 RF 전극 및 제2 DC 전극을 상기 가상의 중심축의 둘레방향으로 순서대로 배치하는 단계; 및
상기 제1 RF 전극, 상기 제1 DC 전극, 상기 제2 RF 전극 및 상기 제2 DC 전극을 경계로 하여 구분되는 4개의 공간 중 하나의 공간에서 상기 가상의 중심축 방향으로 연장하는 봉 형상의 한 쌍의 보상 전극을 배치하는 단계를 포함하고,
상기 제1 DC 전극 및 상기 제2 DC 전극은 각각 전기적으로 절연된 복수개의 세그먼트를 포함하는
이온 포획 장치의 제조방법.
제 1 항에 있어서,
상기 제1 RF 전극, 상기 제2 RF 전극, 상기 제1 DC 전극 및 상기 제2 DC 전극 중의 적어도 하나의 전극은
세라믹 기판을 준비하는 단계;
상기 세라믹 기판의 선단을 테이퍼 형상으로 가공하는 단계;
상기 세라믹 기판에 그루브를 형성하여 전기적으로 절연된 복수의 세그먼트로 구분하는 단계; 및
상기 세라믹 기판에 금속 코팅을 실시하여 전극을 얻는 단계를 포함하는 과정에 의하여 얻어지는 이온 포획 장치의 제조방법.
제 2 항에 있어서,
선단이 테이퍼 형상으로 가공된 상기 전극의 테이퍼 영역에서 상기 전극의 양 면이 가지는 각도가 15.8~16.2 °이며, 상기 전극의 상기 가상의 중심축 쪽 선단에서의 두께가 45~55 ㎛가 되도록 하는 이온 포획 장치의 제조방법.
제 2 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 전극이 상기 제1 DC 전극 또는 상기 제2 DC 전극이고, 각 그루브에 의해 구분된 세그먼트에 구멍을 형성하는 단계를 더 포함하는 이온 포획 장치의 제조방법.
제 2 항에 있어서,
상기 금속 코팅 전에 스퍼터링을 이용하여 기판에 부착층을 형성하는 단계를 더 포함하는 이온 포획 장치의 제조방법.
제 1 항에 있어서,
상기 제1 RF 전극과 상기 제2 RF 전극은 동일한 평면상에 위치하며 상기 가상의 중심축을 기준으로 상호 대칭적인 관계를 가지며, 상기 제1 DC 전극과 상기 제2 DC 전극은 동일한 평면 상에 위치하며 상기 가상의 중심축을 기준으로 상호 대칭적인 관계를 가지도록 하는 이온 포획 장치의 제조방법.
제 2 항에 있어서,
상기 세라믹 기판은 알루미나이며 상기 금속은 금인 이온 포획 장치의 제조방법.
제 1 항에 있어서, 상기 한 쌍의 보상 전극은 상기 가상의 중심축으로부터 반경 방향으로 실질적으로 동일한 거리만큼 이격되어 배치되는 이온 포획 장치의 제조방법.
세라믹 기판을 준비하는 단계;
상기 세라믹 기판의 선단을 테이퍼 형상으로 가공하는 단계;
상기 세라믹 기판에 그루브를 형성하여 전기적으로 절연된 복수의 세그먼트로 구분하는 단계; 및
상기 세라믹 기판에 금속 코팅을 실시하여 전극을 얻는 단계를 포함하는 이온 포획 장치에 사용되는 전극의 제조방법.
제 9 항에 있어서,
선단이 테이퍼 형상으로 가공된 상기 전극의 테이퍼 영역에서 상기 전극의 양 면이 가지는 각도가 15.8~16.2 °이며, 상기 전극의 상기 가상의 중심축 쪽 선단에서의 두께가 45~55 ㎛가 되도록 하는 이온 포획 장치에 사용되는 전극의 제조방법.
제 9 항에 있어서,
상기 금속 코팅 전에 스퍼터링을 이용하여 기판에 부착층을 형성하는 단계를 더 포함하는 이온 포획 장치에 사용되는 전극의 제조방법.
제 9 항에 있어서,
상기 세라믹 기판은 알루미나이며 상기 금속은 금인 이온 포획 장치에 사용되는 전극의 제조방법.
제 9 항에 있어서, 상기 복수의 세그먼트에 구멍을 형성하는 단계를 더 포함하는 이온 포획 장치에 사용되는 전극의 제조방법.