Integrating transparent conductors and optics in microfabricated ion traps to enable next-generation quantum computing

Abstract

Integrating photonics into ion traps remains an inevitable hurdle that needs to be overcome in order to allow scaling of trapped ion quantum computers. This thesis aims to enhance trapped ion quantum computing by tackling the challenges posed by the integration of dielectrics into the next generation of trapped ion quantum computers in the form of optical components. Dielectrics have been found to adversely affect ion stability, resulting in reduced fidelity and coherence times. To mitigate these effects, this study explores novel materials such as transparent conducting oxides such as Al:ZnO and innovative combinations of existing materials in the form of dielectric (Al2O3)-metal (Au) stacks. An array of analytical techniques is employed to evaluate the effectiveness and composition of these materials. Beyond typical transmission and sheet resistance measurements, we delve deeper into the effects of annealing and cryogenic temperatures on sheet resistance which become relevant in the fabrication and operation steps of ion traps. Moreover, comprehensive evaluations are conducted, utilising AFM, SEM, TEM and KPFM, to investigate film quality and growth characteristics. Our findings show that Al:ZnO and gold-Al2O3 films demonstrate the highest potential as shielding layers, effectively safeguarding trapped ions from disruptive dielectric charges while preserving optical access.

Die Integration von Photonik in Ionenfallen stellt nach wie vor eine unvermeidliche Hürde dar, die überwunden werden muss, um die Skalierung von Ionen-basierten Quantencomputern zu ermöglichen. Das Ziel dieser Arbeit besteht darin, Ionenfallen zu verbessern, indem die Probleme gelöst werden, die sich aus der Integration von Dielektrika in Form von photonischen Bauteilen entstehen. Es wurde experimentell sowie theoretisch festgestellt, dass Dielektrika die Ionenstabilität beeinträchtigen. Um die hervorgerufenen Effekte zu verhindern, werden in dieser Arbeit neuartige Materialien wie transparente leitfähige Oxide wie Al:ZnO sowie neue Kombinationen bestehender Materialien in Form von dielektrischen (Al2O3)-Metall (Au)-Stacks untersucht. Zur Beurteilung der Effiktivität und Zusammensetzung dieser Materialien werden verschiedene analytische Techniken angewendet. Neben den herkömmlichen Transmissions- und Schichtwiderstandsmessungen werden auch die Auswirkungen von Hoch- und Tieftemperaturen auf den Schichtwiderstand untersucht, da diese für die Herstellung und den Betrieb von Ionenfallen von Bedeutung sind. Darüber hinaus erfolgen umfassende Auswertungen mittels AFM, SEM, TEM und KPFM, um die Schichtqualität und Wachstumseigenschaften zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigen, dass Al:ZnO und Al2O3-Gold Filme das größte Potenzial als Abschirmungsschichten aufweisen um die eingefangene Ionen effektiv vor störenden dielektrischen Ladungen zu schützen und gleichzeitig den optischen Zugang bewahren.