芯片组件和制造芯片组件的方法与流程

本发明涉及离子微阱芯片组件和制造离子微阱芯片组件的方法，在优选实施例中涉及光学离子微阱芯片组件。

背景技术：

1、离子微阱因其对诸如信息处理和计量等量子技术的适用性而备受关注。它们被期望成为未来高性能量子计算机的关键部件。这些将包含许多量子比特(或“量子位”)的计算机将能够解决当今难以解决的问题。

2、更具体地，微制造的离子阱(微阱)提供了一种陷俘单个离子或离子串的方法，以创建用于量子计算、传感、精密计量、科学研究、量子通信和网络的器件。由于这些阱是基于原子的，因此与固态电路设计相比，它们的优势在于可以潜在地制造可靠且相同的阱，从而能够扩大规模以在实际系统中使用。

3、目前已知几种类型的微阱，这些微阱通常根据其电极几何形状分类为二维(2-dimention,2d)和三维(3-dimention,3d)阱。微阱的性能通常随着尺寸方面而增加。然而，由于可用性的限制，许多研究人员使用2d阱。只有3d阱几何形状在优越的加热率和较低的误差方面具有必要的性能，适用于扩展到工业系统。特别地，申请人认为3d电极几何形状能够提供优越的操作特性，并且能够在室温下实现低噪声(运动退相干)操作，这超出了其他器件在室温下所实现的操作。在量子门中，预计较低的误差来自低测量加热率。

4、这种离子阱的测试和表征通过使用提供了良好光学接入以及用于直流(directcurrent,dc)信号和高压射频(radio frequency,rf)的多个电馈通的组合的设备，在超高真空(ultra high-vacuum,uhv)条件下进行。大多数已知的方法使用标准且通常庞大的uhv馈通，需要大量的真空布线和电子滤波才能靠近阱电极。一个广泛使用的示例添加了定制的插座器件，使其能够使用封装在针栅阵列(pin grid array,pga)载体中的离子阱。这有助于快速更换真空中的芯片。

5、us-2004/0212802、gb-2,328,035和us-4,896,936公开了不是离子微阱并且具有与下面结合图1和图2讨论的现有技术一致的特性的组件。

6、us-6,255,724公开了一种微结构组件，其依赖于一个对准部件相对于另一对准部件的变形。本文件与离子微阱组件无关，也不适用于此类精密组件。

7、us-5,432,878公开了一种组件，其中光电子器件安装在由柔性材料制成的载体上，并且该组件被设计为相对于衬底滑动以用于定位目的。本文件与离子微阱组件无关，也不适用于此类精密组件。

8、karan k.mehta等人在“离子量子位的集成光学寻址”，《自然纳米技术》，第11卷，2016年12月，(“integrated optical addressing of an ion qubit”,naturenanotechnology,vol.11,december 2016)中讨论了单个阱离子在量子计算方面显示出巨大的前景，但缺乏可扩展的光学接口来操纵和测量离子的量子态一直是大规模系统开发的主要限制。karan k.mehta等人提出了解决这一问题的方法，该方法利用集成在阱芯片内的纳米光子单模波导和光栅耦合器。

9、r.j.niffenegger等人在“离子量子位的集成多波长控制”，《自然》，第586卷，第538-542页，2020年10月22日(“integrated multi-wavelength control of an ionqubit”,nature,vol.586,pp.538-542,22october 2020)中公开了陷俘的原子离子形成高保真量子信息处理器和高精度光学时钟的基础；但目前的实现依赖于自由空间光学器件进行离子控制，这限制了它们的便携性和可扩展性。他们建议作为解决这个问题的方法，原子系统控制技术的单片集成是开发量子计算机和便携式量子传感器的一条有前景的途径。

10、karan k.mehta等人在“集成光学多离子量子逻辑”，《自然》，第586卷，第533-537页，2020年10月22日(“integrated optical multi-ion quantum logic”nature,vol.586,pp.533-537,22october 2020)中公开了实用和有用的量子信息处理需要在基本操作的错误率和规模两者上对当前系统进行实质性改进。单个陷俘离子量子位的基本质量对于长期系统来说是有前景的，但其精确控制所涉及的光学器件是扩大规模的障碍。他们提出，集成在离子阱器件内的平面制造的光学器件可以同时使这种系统更加鲁棒和可并行，特别是通过使用与表面电极离子阱共同制造的可扩展光学器件来实现高保真度多离子量子逻辑门，这通常是建立精确、大规模纠缠的限制因素，对量子计算至关重要。

11、本领域中针对离子微阱设计的制造问题提出的方案专注于单个、单片结构的生产，以试图确保组件的光学和电气部件的对准。然而，本技术的发明人已经发现，这种方法能够限制单个部件的优化，而非对准。因此，本领域的方法可能导致不理想的组装。

12、所有这些方法都呈现了对离子阱表征和操作所需的特性的限制，特别是：高电压rf信号的低损耗传输；低噪声dc电压的传输；快速dc开关速度；rf拾波器的有效滤波；电子设置的灵活性；可扩展性；可靠性等等。灵活性需求的一个示例是用于测量异常加热率的电子滤波与用于离子的快速和受控穿梭的电子滤波之间的差异。

13、通过将离子阱耦接到光学腔，能够构建先进的量子信息系统，诸如量子中继器节点、分布在光子网络上的模块化量子计算机。

14、为了寻求满足可扩展性的挑战，一种方案是使用微机电系统(microelectromechanical system,mems)制造技术来使离子腔组件小型化。基于mems的离子阱也能够容易地集成到其他类型的mems器件中。mems技术还可以减少光学腔组件所占面积，特别是对于反射镜致动器。然而，当使用商业纳米级定位台时，它们对uhv(超高真空)组件提出了显著的空间需求。

技术实现思路

1、本发明寻求提供一种改进的芯片组件和制造芯片组件的方法，特别是用于离子阱应用。

2、根据本发明的一个方面，提供了一种制造离子微阱芯片组件的方法，该组件包括具有芯片衬底的离子微阱芯片，以及设置在芯片衬底上的至少一个微结构；方法包括以下步骤：在芯片衬底中直接形成一个或更多个第一对准元件，在至少一个微结构中形成一个或更多个第二对准元件；其中，第一对准元件和第二对准元件是凹槽或突起，并且将至少一个微结构定位在芯片衬底上，其中至少一个第二对准元件键合到至少一个第一对准元件；以及将微结构附接在相对于芯片结构的位置，由此第一对准元件和第二对准元件键合以将微结构在微型结构的平面内的所有方向上固定到芯片衬底。

3、本技术中教导的方法以前没有被考虑用于离子微阱芯片组件的制造。它能够优化组件的各个部件，例如离子微阱和与其耦接的光学组件。对于单片结构，这种优化是不可能的。

4、可以将凹槽或每个凹槽蚀刻到芯片衬底和/或微结构中。

5、有利地，突起或至少一个突起直接位于芯片衬底和/或微结构上。这提供了微结构与芯片衬底的直接对准，并因此提供了与离子阱的直接对准，以及精确组装。

6、在其他实施例中，间隔件元件可以位于第一对准元件中或者是第一对准元件，并且微结构布置在间隔件元件上。为此目的，该方法可以包括在芯片衬底中形成至少一个对准元件以及在间隔件元件中形成至少两个间隔件对准元件，其中，至少一个间隔件对准元件被布置为与芯片结构中的至少一个对准元件接合，并且间隔件对准元件中的另一个被布置为与芯片载体的至少一个对准元件接合。

7、优选地，对准元件由刚性材料制成。最优选地，芯片衬底和微结构由刚性材料制成。这使得能够实现非常精确的对准，这在为组件的元件提供一些可调节性的系统中是不可能的。

8、优选地，芯片衬底是晶体。有利地，对准元件或至少一个对准元件沿着芯片衬底的晶面形成。使用芯片衬底的结晶度可以提供具有制造可重复性的非常精确的对准特征。

9、芯片衬底可以由硅制成。

10、在实施例中，对准元件或每个对准元件是光刻形成的。

11、优选地，该组件是3d离子微阱芯片组件。

12、有利地，微结构或至少一个微结构是光学模块或原子屏蔽件。

13、该方法可以包括形成用于容纳多个突起的多个凹槽，该微结构是包含波导和微透镜的阵列的光学模块。

14、根据本发明的另一个方面，提供了一种离子微阱芯片组件，包括：具有芯片衬底的离子微阱芯片，直接形成在芯片衬底上的一个或更多个第一对准元件；具有直接形成在微结构上的一个或更多个第二对准元件的一个或更多个微结构；其中，第一对准元件和第二对准元件是凹槽或突起；至少一个微结构被布置在芯片衬底上，其中至少一个第一对准元件键合到至少一个第二对准元件，由此第一对准元件和第二对准元件键合以将微结构在芯片组件的平面内的所有方向上固定到芯片衬底，从而将微结构以对准的方式附接到离子微阱。

15、有利地，凹槽或每个凹槽是在芯片衬底和/或微结构中的蚀刻形成物。

16、优选地，对准元件由刚性材料制成。最优选地，芯片衬底和微结构由刚性材料制成。

17、在一些实施例中，突起或每个突起直接形成在芯片衬底和/或微结构上。

18、在其他实施例中，该组件可以包括位于芯片衬底上的至少一个间隔件元件，该微结构被附接到该至少一个间隔件元件。为此目的，该组件可以包括芯片衬底中的至少一个对准元件和间隔件中的至少两个间隔件对准元件，其中，至少一个间隔件对准元件被布置为与所述芯片结构中的至少一个对准元件接合，并且间隔件对准元件中的另一个被布置为与微结构的第二对准元件或至少一个第二对准元件接合。

19、优选地，芯片衬底是晶体。有利地，对准元件或至少一个对准元件沿着芯片衬底的晶面布置。

20、优选地，芯片是3d离子微阱芯片。

21、在优选实施例中，微结构或至少一个微结构是光学模块或原子屏蔽件。

22、在实际实施例中，芯片组件包括容纳多个第二对准元件的多个第一对准元件，多个第二对准元件形成在包含波导和微透镜的阵列的光学模块上，光学模块是微结构。

23、通过以下优选实施例的描述，本文教导的其他优点、特征和方面对本领域技术人员将变得显而易见。