Trapped-ion quantum architectures: RF electrodes optimization and effects of RF technical noise

Ion traps are among the most promising platforms for quantum computing, owing to the record gate fidelities and long coherence times demonstrated on such devices. Currently, most trapped-ion quantum processors are realized using Paul traps, where a combination of radio-frequency (RF) and direct-current (DC) voltages applied to the trap electrodes is used to confine and control ions in space. This technology can be scaled towards architectures capable of controlling hundreds or thousands of ions by exploiting standard microfabrication techniques to miniaturize the electrodes and integrate them on the surface of a chip, forming the so-called two-dimensional surface-electrode ion traps. However, scaling up the number of ions controlled on a surface Paul trap while preserving high computational fidelity remains a major challenge. Efficient and independent control of many ions requires small ion–surface distances, which increases the susceptibility of the ions to noise originating from the trap electrodes. This technical noise can couple to the ions’ motional degrees of freedom, inducing heating and decoherence that degrade gate performance. While the effects of DC voltage noise on the ion motion have been extensively studied in the literature, the impact of technical noise on the RF drive remains comparatively less understood and explored. The purpose of this thesis is to develop a theoretical framework that characterizes how RF technical noise affects the secular motion of trapped ions, leading to motional heating. In the first part of the thesis, a theoretical model describing the effects of RF phase and amplitude noise in terms of ion heating is developed, highlighting the role of the noise spectral density and the trap geometry in determining the heating rates experienced by the ions. In the second part, the developed model is applied to two trapped-ion quantum computing architectures: the Quantum Charge-Coupled Device (QCCD) architecture and the Quantum Spring Array (QSA) architecture. The model is first applied to the electrode layout of an X-junction trap, a fundamental zone in the QCCD architecture where two linear traps intersect. It is shown how the optimization of the RF electrode edges reduces heating and other detrimental effects experienced by ions during shuttling across the junction. The model is then applied to RF transport, a fundamental ion-shuttling mechanism used to connect different zones in the QSA architecture. Heating rates are simulated along the shuttling path using the developed models and are compared with experimental data, showing reasonable agreement between the two.

Le trappole per ioni sono tra le piattaforme più promettenti per la computazione quantistica, grazie alle elevate fedeltà nelle porte logiche e ai lunghi tempi di coerenza dimostrati su questi dispositivi. Al momento, la maggior parte dei processori quantistici a ioni intrappolati sono realizzati utilizzando trappole di Paul, dove la combinazione di voltaggi a radiofrequenza (RF) e a corrente continua (DC) applicati sugli elettrodi della trappola è utilizzata per confinare e controllare gli ioni nello spazio. Questa tecnologia può essere ampliata verso architetture capaci di controllare centinaia o migliaia di ioni sfruttando tecniche di microfabbricazione standard per miniaturizzare gli elettrodi e integrarli sulla superfice di un chip, creando le cosiddette trappole per ioni bidimensionali con elettrodi superficiali. Tuttavia, aumentare il numero di ioni controllati su una trappola di Paul superficiale preservando un'elevata fedeltà computazionale rimane una sfida importante. Il controllo efficiente e indipendente di molti ioni richiede piccole distanze tra gli ioni e la superficie, il che aumenta la suscettibilità degli ioni al rumore proveniente dagli elettrodi della trappola. Questo rumore tecnico può accoppiarsi ai gradi di libertà di movimento degli ioni, inducendo riscaldamento e decoerenza che degradano le prestazioni delle porte logiche. Mentre gli effetti del rumore della corrente continua sul movimento degli ioni sono stati ampiamente studiati nella letteratura, l'impatto del rumore tecnico sul segnale a radiofrequenza rimane relativamente meno compreso ed esplorato. Lo scopo di questa tesi è quello di sviluppare un quadro teorico che caratterizzi il modo in cui il rumore tecnico a radiofrequenza influisce sul moto secolare degli ioni intrappolati, causando riscaldamento cinetico. Nella prima parte della tesi viene sviluppato un modello teorico che descrive gli effetti del rumore RF di fase e ampiezza per quanto riguarda il riscaldamento degli ioni, evidenziando il ruolo della densità spettrale del rumore e della geometria della trappola nel determinare i tassi di riscaldamento a cui sono soggetti gli ioni. Nella seconda parte, il modello sviluppato viene applicato a due architetture di calcolo quantistico a ioni intrappolati: l'architettura Quantum Charge-Coupled Device (QCCD) e l'architettura Quantum Spring Array (QSA). Il modello viene prima applicato al layout degli elettrodi di una trappola a giunzione X, una zona fondamentale nell'architettura QCCD dove due trappole lineari si intersecano. Si mostra come l'ottimizzazione dei bordi dell'elettrodo RF riduce il riscaldamento e altri effetti dannosi subiti dagli ioni durante il movimento attraverso la giunzione. Il modello viene quindi applicato al trasporto RF, un meccanismo fondamentale per il trasporto di ioni utilizzato per connetter diverse zone nell'architettura QSA. I tassi di riscaldamento vengono simulati lungo il percorso di trasporto utilizzando i modelli sviluppati e vengono confrontati con i dati sperimentali, mostrando una ragionevole concordanza tra i due.