CN113345617B - 一种离子阱系统 - Google Patents
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Abstract
本文公开一种离子阱系统，包括：离子阱、设置有第一光学窗口的真空腔体；其中，真空腔体上还设置有一对对称分布的第二光学窗口，第二光学窗口的中心与第一光学窗口的中心位于同一平面；其中，第一光学窗口为执行第一操作提供光学通路；第二光学窗口为执行第二操作提供光学通路；第二光学窗口大于第一光学窗口。本发明实施例通过在设置第一光学窗口的平面内，以对称方式分布设置的一对用于执行第二操作的第二光学窗口，为执行第二操作提供了光路通路，提升了第二操作执行的可行性。
Description
技术领域
本文涉及但不限于量子计算机技术，尤指一种离子阱系统。
背景技术
量子计算机主要指通过量子逻辑门操作来实现通用量子计算和量子模拟的通用设备，现阶段还处于原型机的研发测试阶段。目前，从物理上实现量子计算机的主要物理实验平台有：离子阱、超导和金刚石色心等，其基础逻辑单元是由遵守量子力学原理的量子比特组成，大量可相干操控的量子比特可以在物理上实现量子计算机。相对于传统计算机，量子计算机在解决一些特定问题时运算时间可大幅度减低，由小规模量子比特构成的量子计算机已经可以完成一些传统计算机无法实现的计算任务；因此，量子计算机未来的基础科学研究、人工智能、材料模拟、信息安全、金融市场优化与气候变化预测等方面具有广阔的应用前景；如何实现量子计算机是当前物理学和计算机信息科学等学科交叉领域的研究热点之一。囚禁于离子阱中的离子阵列作为量子比特阵列，可以在已有实验条件下实现高保真度的量子逻辑门操作。离子量子比特在相互作用控制、长相干时间、高保真度量子逻辑门操作及量子纠错等进行衡量量子计算性能的关键指标方面都有非常优秀的表现，是最有可能实现量子计算机的平台之一。
离子型量子计算机上的量子比特基本逻辑门操作，主要是通过激光或者微波来实现。离子量子比特通常都被离子阱的电势场束缚在真空环境中，降低背景气体碰撞对整个离子晶格稳定性影响。在单个离子阱中，囚禁的离子晶格将受到真空背景气体中的残余气体碰撞，影响离子晶格的稳定，使单个离子阱中可囚禁的离子量子比特数目受限。离子阱真空系统的真空度大概处于10^-11托(Torr)量级，在该真空度下的背景气体主要成分为氢气；背景气体与离子碰撞主要分为弹性碰撞和非弹性碰撞，碰撞过程中氢分子将把自身的动能传递到离子量子比特上，离子晶格被加热而导致不稳定。提高离子晶格的稳定性一方面可以减少离子阱真空腔体内的剩余气体，可以通过包括高温除氢过程、真空元件材料选择和长时间真空烘烤等处理来降低真空腔体的出气率；另一方面可以通过降低离子阱所处的背景环境温度，降低背景气体的动能。基于上述两个方面的改进，可以降低背景气体与离子晶格的碰撞几率以及在碰撞过程中背景气体的运动速度，保证离子晶格与背景气体碰撞过程的能量交换不足以导致离子晶格被加热溶解，从而提高整个离子晶格的稳定性。
通过集成低温恒温技术，低温离子阱的真空度可以达到10^-12Torr至10^-13Torr，背景环境温度在4开尔文(k)左右。通过集成低温恒温技术，单个离子阱中可囚禁的离子量子比特数目可以超过100个。在未来的量子计算领域，囚禁更多的离子量子比特，以提高低温离子阱中的离子量子比特规模，是实现离子量子计算的一个核心问题。
发明内容
以下是对本文详细描述的主题的概述。本概述并非是为了限制权利要求的保护范围。
本发明实施例提供一种离子阱系统，能够提升执行荧光收集、相干操控和独立选址等操作的可行性。
本发明实施例提供了一种离子阱系统，包括：离子阱、设置有第一光学窗口的真空腔体；其中，真空腔体上还设置有一对对称分布的第二光学窗口，第二光学窗口的中心与第一光学窗口的中心位于同一平面；真空腔体上还包括：斜楔的用于连接低温冷泵的法兰口；
其中，所述第一光学窗口为执行第一操作提供光学通路；所述第二光学窗口为执行第二操作提供光学通路；所述第二光学窗口大于所述第一光学窗口；所述第一操作包括以下一项或任意组合的操作：离子激光冷却、初态制备、拉曼操控和荧光探测；所述第二操作包括以下一项或任意组合的操作：荧光收集、相干操控和独立选址。
在一种示例性实例中，所述第二光学窗口对于所述真空腔体中心的数值孔径大于第一预设阈值；
其中，所述第一预设阈值根据所述第二操作确定。
在一种示例性实例中，所述真空腔体上沿与所述平面垂直的方向上还设置有第三光学窗口，用于入射执行第三操作的脉冲激光；
其中，所述第三操作包括激光烧蚀。
在一种示例性实例中，所述第三光学窗口对于所述真空腔体中心的数值孔径为预设数值；
其中，所述预设数值根据所述第三操作确定。
在一种示例性实例中，所述离子阱产生的囚禁势的振动模式主轴在所述平面上存在非零的分量。
在一种示例性实例中，所述离子阱的中心与所述真空腔体的中心重合。
在一种示例性实例中，所述离子阱包括以下任意一种：
分立式刀片阱、单片式一体化离子阱和三维多层式离子阱。
本申请离子阱系统包括：离子阱、设置有第一光学窗口的真空腔体；其中，真空腔体上还设置有一对对称分布的第二光学窗口，第二光学窗口的中心与第一光学窗口的中心位于同一平面；其中，第一光学窗口为执行第一操作提供光学通路；第二光学窗口为执行第二操作提供光学通路；第二光学窗口大于第一光学窗口。本发明实施例通过在设置第一光学窗口的平面内，以对称方式分布设置的一对用于执行第二操作的第二光学窗口，为执行第二操作提供了光路通路，提升了第二操作执行的可行性。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。
图1为本发明实施例离子阱系统的立体结构图；
图2为本发明实施例离子阱系统的剖面图；
图3为本发明实施例离子阱系统的俯视图；
图4为本发明实施例离子阱分布位置示意图；
图5为本发明另一实施例离子阱分布位置示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
本申请发明人分析发现，相关技术中的低温离子阱系统，用于荧光收集、相干操控和独立选址的高数值孔径光学窗口只有一个，且和其他光学窗口不在一个平面内，这种设置获得的光路不便于荧光收集、相干操控和独立选址操作，设计一种可以适用于荧光收集、相干操控和独立选址操作的离子阱系统，成为进行离子阱相关实验和应用的一个问题。
图1为本发明实施例离子阱系统的立体结构图，图2为本发明实施例离子阱系统的剖面图，图3为本发明实施例离子阱系统的俯视图，参见图1～图3，本发明实施例离子阱系统，包括：离子阱1、设置有第一光学窗口2-1的真空腔体2；其中，真空腔体2上还设置有一对对称分布的第二光学窗口2-2，第二光学窗口的中心与第一光学窗口的中心位于同一平面；
其中，第一光学窗口为执行第一操作提供光学通路；第二光学窗口为执行第二操作提供光学通路；第二光学窗口大于第一光学窗口。
本发明实施例离子阱系统包括：离子阱、设置有第一光学窗口的真空腔体；其中，真空腔体上还设置有一对对称分布的第二光学窗口，第二光学窗口的中心与第一光学窗口的中心位于同一平面；其中，第一光学窗口为执行第一操作提供光学通路；第二光学窗口为执行第二操作提供光学通路；第二光学窗口大于第一光学窗口。本发明实施例通过在设置第一光学窗口的平面内，以对称方式分布设置的一对用于执行第二操作的第二光学窗口，为执行第二操作提供了光路通路，提升了第二操作执行的可行性。
在一种示例性实例中，本发明实施例中的真空腔体2可以采用类似八角形腔体的结构。真空腔体2及第一光学窗口2-1、第二光学窗口2-2等尺寸可以参照相关技术中离子阱系统的应用进行确定。
在一种示例性实例中，本发明实施例中的第二操作包括以下一项或任意组合的操作：荧光收集、相干操控和独立选址；在一种示例性实例中，第二操作可以包括其他种类的操作，可以由技术人员根据操作对光学窗口的要求进行增删。
在一种示例性实例中，本发明实施例中的第二光学窗口2-2对于真空腔体2中心的数值孔径大于第一预设阈值；其中，第一预设阈值根据第二操作确定。
在一种示例性实例中，本发明实施例可以根据离子阱系统用于实施的第一操作的具体内容，确定第一预设阈值的大小；例如、第一操作包括荧光收集、相干操控和独立选址时，第一预设阈值可以设置为大于0.6或0.7的一个值。
在一种示例性实例中，本发明实施例中的第一操作包括以下一项或任意组合的操作：离子激光冷却、初态制备、拉曼操控和荧光探测。在一种示例性实例中，第一操作可以包括其他种类的操作，可以由技术人员根据操作对光学窗口的要求进行增删。
在一种示例性实例中，本发明实施例第一光学窗口的个数、分布、数值孔径可以由本领域技术人员参照相关技术中已有的离子阱系统的设计进行设置；例如，设置六个第一光学窗口，数值孔径为0.1左右，六个第一光学窗口在与一对第二光学窗口同一平面的除设置第二光学窗口外的位置均匀分布；例如、在与第二光学窗口的主轴方向成60度、90度和120度方向分别设置3对第一光学窗口。
在一种示例性实例中，本发明实施例真空腔体2上沿与上述平面(设置第一光学窗口2-1的平面)垂直的方向上还设置有第三光学窗口2-3，用于入射执行第三操作的脉冲激光；
其中，第三操作包括激光烧蚀。
在一种示例性实例中，第一操作可以包括其他种类的操作，可以由技术人员根据操作对光学窗口的要求进行增删。
在一种示例性实例中，与上述平面垂直的方向为：以平面的中心为与平面垂直的直线经过的点，在直线与真空腔体2相交的位置。
在一种示例性实例中，本发明实施例中的第三光学窗口2-3对于真空腔体2中心的数值孔径为预设数值。在一种示例性实例中，本发明实施例预设数值可以为0.1左右，可以由本领域技术人员基于第三光学窗口的用途进行分析设置。
在一种示例性实例中，本发明实施例离子阱系统除上述组成外，真空腔体2上还包括：斜楔的用于连接低温冷泵3的法兰口2-4。
在一种示例性实例中，本发明实施例中的低温冷泵3包含两层恒温屏蔽罩，通过法兰口2-4接入到上述真空腔体2内。
在一种示例性实例中，本发明实施例两层恒温屏蔽罩包括内层恒温屏蔽罩3-1和外层恒温屏蔽罩3-2，两层恒温屏蔽罩分别用于维持一定的低温环境；假设，离子阱产生离子量子比特阵列的背景环境温度在4K(开尔文)左右，本发明实施例外层恒温屏蔽罩用于维持环境温度在40K，内层恒温屏蔽罩用于维持环境温度在4K，从而保证离子量子比特的背景环境温度在4K附近。
需要说明的是，参照相关设计，在真空腔体设置第一光学窗口、第二光学窗口和第三光学窗口位置，恒温屏蔽罩的对应位置分别设置有相应的通孔并安装有窗片。
本发明实施例在真空腔体设置第一光学窗口、第二光学窗口和第三光学窗口位置，分别设置有对应的通孔并安装有窗片，确保了入射到真空腔体的激光能够顺利的照射到离子阱中心。在维持低温隔热罩内维持在低温环境，由于两层屏蔽罩在低温下对背景气体分子有吸附作用，可以看成为一个大抽速的低温泵，将使得低温区的真空度比常温区低一到两个量级；以处于4K附近低温环境中的背景气体分子为例，其所具有的动能比处于常温环境中低两个数量级。
在一种示例性实例中，本发明实施例离子阱1包括以下任意一种：
分立式刀片阱、单片式一体化离子阱和三维多层式离子阱。
需要说明的是，本发明实施例离子阱还可以包括其他种类的离子阱，例如、四极杆离子阱；只要适用本发明实施例离子阱系统即可。
在一种示例性实例中，本发明实施例离子阱的中心与真空腔体的中心重合。
在一种示例性实例中，本发明实施例离子阱产生的囚禁势的振动模式主轴在平面上存在非零的分量。
需要说明的是，基于离子阱产生的囚禁势的振动模式主轴在平面上存在非零的分量的要求，本发明实施例可以参照相关原理设置离子阱。这里，存在非零的分量是指振动模式主轴在平面上的投影为一个线段，即投影不是一个点(振动模式主轴垂直于平面时，投影为点)。
以下以真空腔体的中心作为三维坐标系的原点，以上述第一光学窗口的平面作为XZ平面，两个第二光学窗口的中心连接线位于X轴，原点与第三光学窗口中心的连线方向作为Y轴方向，对本发明实施例的离子阱设置进行简要说明：
图4为本发明实施例离子阱分布位置示意图，如图4所示，在真空腔体中心安装离子阱1，离子阱1为分立式刀片阱；分立式刀片阱的刀片电极沿Z向分布，离子阱中的一维离子链沿Z向排列。当分立式刀片电极产生的离子囚禁势阱的三个主轴在XZ平面内都有分量时，XZ平面内的8个光学窗口能够完全满足离子阱离子量子相干控制所需的各种激光需求。需要说明的是，当离子阱产生的囚禁势中存在与XZ平面相垂直的Y轴方向振动模式时，只沿XZ平面入射的激光无法对沿Y轴方向分布的振动模式进行有效的操控，需要对离子阱进行旋转；例如、对离子阱电极结构沿X轴做一定角度的旋转，旋转后的离子阱电极结构产生的囚禁势的振动模式主轴在XZ平面上有分量，从而保证在XZ平面内的入射激光能够完全满足离子量子信息处理的操控需求，简化离子阱实验的光路设计。
图5为本发明另一实施例离子阱分布位置示意图，如图5所示，在真空腔体中心安装离子阱1，离子阱1为单片式一体化离子阱；在单片式一体化离子阱中，在YZ平面内可以产生一维或者二维的离子阱晶格结构，其电极结构在沿Z向对称分布时将存在垂直于XZ平面的振动模式；该模式将不能被XZ平面内的激光进行有效的冷却及相干控制。在一体化电极结构围绕X方向进行了一定角度的旋转，使得垂直于XZ平面的振动模式在旋转之后在XZ平面上有一定的分量，从而实现离子阱的各个振动模式都能够与XZ平面内的激光有效的相互作用，满足离子阱实验的光路实验的要求。
本发明实施例离子阱系统，在兼容低温环境要求的前提下，优化了腔体结构设计。第一光学窗口和第二光学窗口在同一平面内(第一光学窗口的中心和第二光学窗口的中心位于同一平面)，方便了低温系统所需的光学系统设计。可以满足不同构型的离子阱的激光操控需求，有效地兼容不同类型的离子阱。针对离子阱中存在垂直于主要光学平面的振动模式的情形，可以通过围绕高数值孔径窗口主轴方向进行旋转的处理，保证离子阱的所有振动模式在光学窗口平面内都存在有效分量，以实现对所有振动模式的相干控制；在该构型下，可以保证在该平面内的入射激光同时与不同振动模式相互作用，实现激光对离子量子比特内态及振动态的量子操控。本发明实施例离子阱系统，可以广泛地应用于离子量子信息领域。
“本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统、装置中的功能模块/单元可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。在硬件实施方式中，在以上描述中提及的功能模块/单元之间的划分不一定对应于物理组件的划分；例如，一个物理组件可以具有多个功能，或者一个功能或步骤可以由若干物理组件合作执行。某些组件或所有组件可以被实施为由处理器，如数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质(或非暂时性介质)和通信介质(或暂时性介质)。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、闪存或其他存储器技术、CD-ROM、数字多功能盘(DVD)或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。”
Claims (7)
1.一种离子阱系统，包括：离子阱、设置有第一光学窗口的真空腔体；其中，真空腔体上还设置有一对对称分布的第二光学窗口，第二光学窗口的中心与第一光学窗口的中心位于同一平面；真空腔体上还包括：斜楔的用于连接低温冷泵的法兰口；
其中，所述第一光学窗口为执行第一操作提供光学通路；所述第二光学窗口为执行第二操作提供光学通路；所述第二光学窗口大于所述第一光学窗口；所述第一操作包括以下一项或任意组合的操作：离子激光冷却、初态制备、拉曼操控和荧光探测；所述第二操作包括以下一项或任意组合的操作：荧光收集、相干操控和独立选址。
2.根据权利要求1所述的离子阱系统，其特征在于，所述第二光学窗口对于所述真空腔体中心的数值孔径大于第一预设阈值；
其中，所述第一预设阈值根据所述第二操作确定。
3.根据权利要求1所述的离子阱系统，其特征在于，所述真空腔体上沿与所述平面垂直的方向上还设置有第三光学窗口，用于入射执行第三操作的脉冲激光；
其中，所述第三操作包括激光烧蚀。
4.根据权利要求3所述的离子阱系统，其特征在于，所述第三光学窗口对于所述真空腔体中心的数值孔径为预设数值；
其中，所述预设数值根据所述第三操作确定。
5.根据权利要求1～4任一项所述的离子阱系统，其特征在于，所述离子阱产生的囚禁势的振动模式主轴在所述平面上存在非零的分量。
6.根据权利要求5所述的离子阱系统，其特征在于，所述离子阱的中心与所述真空腔体的中心重合。
7.根据权利要求1～4任一项所述的离子阱系统，其特征在于，所述离子阱包括以下任意一种：
分立式刀片阱、单片式一体化离子阱和三维多层式离子阱。
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