基于量子力学建立起来的量子计算系统,是有潜力超越经典计算机的一种方案。表面电极离子阱量子计算系统因为具有良好的可扩展性、较长的退相干时间、高保真的初始化和读取等优势,被认为是量子计算机物理实现最有希望的方案之一。本文首先介绍了表面电极离子阱的工作原理。在表面电极离子阱量子计算系统中,使用离子的两个能级表示量子比特的两种状态,通过激光场耦合离子量子位和集体振动量子位,实现不同量子位间的两位门操作,从而实现量子逻辑。表面电极离子阱的RF电极和DC电极在离子阱表面上方的空间产生势阱,离子被囚禁在势阱中。势阱深度和离子加热速率是衡量表面电极离子阱囚禁稳定性的重要指标。本文在考虑衬底功率损失和电势损失的影响后,提出势阱深度和离子加热速率的修正模型。本文首先借鉴了用于研究微波电路的“quasi-TEM”模型的思想,提出表面电极离子阱的等效电路模型,得到其功率损失和电势损失的解析模型。对于离子加热速率模型,本文考虑衬底功率损失引起的电极温度变化对离子加热速率的影响,重新修正了离子加热速率的解析模型,使预测结果更加精确。对于势阱深度模型,本文同时考虑囚禁离子的质量和电荷量、交变电压幅值、衬底电势损失、表面电极绝对尺寸和相对尺寸的影响,发现恒压缩小电极尺寸和全比例缩小电极尺寸时的阱深变化规律,并解释了不同衬底材料的表面电极离子阱阱深的差异。根据本文提出的解析模型,硅基衬底的电势损失对表面电极离子阱阱深的降幅达17.19%,功率损失对离子加热速率的加速达13.37%。本文提出了表面电极离子阱的优化设计方案,对电极尺寸、衬底结构做了优化设计。电极尺寸的设计综合考虑衬底电势损失对阱深的影响、电极厚度对离子加热速率的影响、控制电极宽度对控制电压效率的影响;对于衬底结构,本文以降低衬底功率损失和电势损失为目的,设计了衬底真空隔离结构,在离子阱RF电极和DC电极间的衬底表面刻蚀出多条隔离槽,从而减小衬底的等效电导和等效电容,达到降低衬底功率和电势损失的目的。模拟结果显示,相比于一般结构,优化的电极尺寸设计可以使阱深加深3.8%,使控制电压效率增加14.14%;真空隔离衬底结构的硅基表面电极离子阱能够使阱深加深20.22%,使衬底功率损失降低54.55%。最后,本文设计实现了表面电极离子阱的工艺制造过程。为了减小电极的约翰逊噪声对离子加热速率的影响,应尽量减小表面电极离子阱电极的等效电阻,故要求电极的厚度较厚。另外,为了减小电极表面碎片势对离子阱离子加热速率的影响,要求电极表面平整度较好。因此,金属沉积形成厚而平整的电极成为表面电极离子阱工艺制造的重要步骤。本文设计的工艺制造步骤包括:晶片清洗、热蒸发、光刻、电镀、阻挡层剥离、刻蚀和键合。为了达到制备表面电极离子阱的工艺要求,本文通过反复实验确定了各个工艺步骤中工艺参数的设定。本文研究了用于量子计算的表面电极离子阱的工作原理,修正了相关的理论模型,提出表面电极离子阱的优化设计方案,并设计了其工艺制造过程,探索了每一个工艺步骤的工艺参数。在后续工作中,需要进一步完善表面电极离子阱的模型研究,展开可扩展多阱区表面电极离子阱离子的移动控制的建模研究,完成表面电极离子阱芯片的工艺制作,最后,结合物理实验平台,展开表面电极离子阱的科学实验研究。