1. Klasyfikacja geometryczna

Pułapki jonowe można klasyfikować według geometrii elektrod, co ma bezpośredni wpływ na ich właściwości i zastosowania. Każdy typ geometrii oferuje unikalne zalety i jest optymalny dla odpowiednich zastosowań.

Pułapki trójwymiarowe

Pułapki trójwymiarowe charakteryzują się elektrodami o kształcie hiperboloidalnym, które najdokładniej realizują idealny potencjał kwadrupolowy. Ta geometria, choć najtrudniejsza w wykonaniu, zapewnia najbardziej jednorodne pole kwadrupolowe, minimalizując aberracje wyższych rzędów.

Typowe parametry pułapek trójwymiarowych obejmują osiowy wymiar charakterystyczny \(r_0\) w zakresie od 0.5 mm do 5 mm. Mniejsze pułapki oferują silniejsze uwięzienie i wyższe częstości oscylacji jonów, ale są trudniejsze w konstrukcji i bardziej podatne na niedoskonałości wykonania. Częstotliwość RF stosowana w tych pułapkach mieści się zazwyczaj w przedziale od 1 MHz 50 MHz, przy czym wyższe częstotliwości pozwalają na silniejsze uwięzienie przy tej samej amplitudzie napięcia. Głębokość potencjału, określająca maksymalną energię kinetyczną jonu, który może być uwięziony, wynosi typowo od 0.1 eV do 10 eV.

Pułapki trójwymiarowe są szczególnie cenione w eksperymentach wymagających najwyższej precyzji, takich jak optyczne zegary atomowe czy precyzyjne pomiary fundamentalnych stałych. Ich symetryczna geometria minimalizuje systematyczne przesunięcia częstości i zapewnia najbardziej stabilne warunki uwięzienia.

Pułapki liniowe

Pułapki liniowe stanowią kompromis między złożonością konstrukcji a funkcjonalnością. Wykorzystują one konfigurację czterech prętów cylindrycznych lub hiperbolicznych ułożonych równolegle. Ta geometria umożliwia tworzenie jednowymiarowych łańcuchów jonów, co jest kluczowe dla wielu zastosowań w informatyce kwantowej.

Potencjał radialny w pułapce liniowej można aproksymować wyrażeniem:
\[
\Phi_{\text{radial}}(x,y) \approx \frac{qV_0\cos(\Omega t)}{r_0^2}(x^2 – y^2)
\]

To pole zapewnia uwięzienie w kierunkach poprzecznych, podczas gdy uwięzienie wzdłuż osi pułapki zapewniają dodatkowe elektrody z przyłożonym napięciem statycznym.

Główną zaletą pułapek liniowych jest możliwość uwięzienia wielu jonów w regularnym łańcuchu. Jony układają się wzdłuż osi pułapki, gdzie siła kulombowskiego odpychania równoważy siłę uwięziającą. Odległość między jonami jest określona przez równowagę tych sił i wynosi typowo kilka mikrometrów. Ta regularna struktura może posłużyć do realizacji bramek kwantowych między sąsiednimi lub nawet odległymi jonami w łańcuchu.

Pułapki powierzchniowe

Pułapki powierzchniowe reprezentują najnowszy paradygmat w konstrukcji pułapek jonowych. Wszystkie elektrody znajdują się w jednej płaszczyźnie, zazwyczaj na powierzchni chipa, a jon jest uwięziony w przestrzeni nad tą powierzchnią. Ta geometria planarna umożliwia wykorzystanie technik litograficznych do precyzyjnego wytwarzania elektrod.

Wysokość uwięzienia jonu nad powierzchnią jest ściśle związana z rozmiarem elektrod:
\[
h \approx {0.7}\text{W} \text{ do } {1.2}\text{W}
\]
gdzie \(w\) jest charakterystycznym rozmiarem elektrod. Ta relacja wynika z rozkładu pola nad układem planarnych elektrod i ma fundamentalne znaczenie dla projektowania pułapek powierzchniowych. W przypadku zastosowań w obliczeniach kwantowych jest to typowo rząd wielkości od 10 µm do 100 µm.

Pułapki powierzchniowe oferują bezprecedensowe możliwości integracji i miniaturyzacji. Można je wytwarzać metodami zbliżonymi do produkcji układów scalonych, co otwiera drogę do masowej produkcji. Dodatkowo, planarna geometria ułatwia integrację z innymi elementami, takimi jak detektory, światłowody czy elektronika sterująca.