CN111834196A - 一种离子阱装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请实施例公开了一种离子阱装置及其控制方法，用于量子计算或量子操控等，可以快速补充离子，降低离子补给耗时，降低离子或者量子比特丢失对量子操控和测量操作的影响。离子阱装置，包括：离子生成与捕获区，离子存储区和离子操控测量区，其中离子存储区位于离子生成与捕获区和离子操控测量区之间；离子生成与捕获区用于：生成离子并将生成后的离子捕获；离子存储区用于：对在离子生成与捕获区捕获的离子进行存储，以及向离子操控测量区补充新的离子；离子操控测量区用于：对囚禁在离子操控测量区的离子进行量子操控和测量操作。

Description

一种离子阱装置及其控制方法

技术领域

本申请涉及量子科学技术领域，尤其涉及一种离子阱装置及其控制方法。

背景技术

随着信息技术的发展以及摩尔定律的瓶颈限制，量子操控和测量操作已经成为信息技术发展的重要研究方向。量子操控和测量操作的基本原理是利用量子比特进行信息编码，单个量子比特的状态不仅有0和1两种典型状态，还可以是0和1叠加的状态，也就是说，n个量子比特可以同时处于2ⁿ个量子态的叠加状态。

量子操控和测量操作的实现依赖于离子阱系统，离子阱系统可以将离子囚禁于真空系统中，利用特定的电磁场约束离子的运动。然而，即使离子是存在于真空环境中，但是仍然存在离子与背景气体中的气体粒子撞击的可能性，从而导致发生离子丢失或者离子携带的量子比特丢失的现象，极大地限制量子操控和测量操作的发展。

目前，若发生一个或者多个离子或者量子比特丢失的现象，则重启离子生成和捕获过程对全部的离子进行重新补充，耗时较长；并且若不能快速补充新的离子，还会导致整个量子操控和测量操作过程的操作结果完全丢失。

发明内容

为了弥补上述技术缺陷，本申请实施例提供了一种离子阱装置及其控制方法，用于解决现有的离子阱装置补充离子较慢，补给耗时长，可能导致量子操控和测量操作的结果丢失的问题。

第一方面，本申请实施例提供了一种离子阱装置，包括：离子生成与捕获区，离子存储区和离子操控测量区，其中离子存储区位于离子生成与捕获区和离子操控测量区之间；离子生成与捕获区用于：生成离子并将生成后的离子捕获；离子存储区用于：对在离子生成与捕获区捕获的离子进行存储，以及向离子操控测量区补充新的离子；离子操控测量区用于：对囚禁在离子操控测量区的离子进行量子操控和测量操作。

从上述第一方面提供的离子阱装置，可以看出：本申请实施例中的离子阱装置中新增加了离子存储区对离子生成与捕获区捕获的离子进行存储，以及利用离子存储区存储的离子向离子操控测量区补充新的离子，容易理解，通过离子存储区存储的离子向离子操控测量区补充新的离子便无需耗时重新生成与捕获新的离子进行补充，可以实现离子的快速补充，降低离子补给耗时，当发生离子或者量子比特丢失现象时可以快速补充新的离子，进而降低离子或者量子比特丢失对量子操控和测量操作的影响。

进一步的，离子存储区在离子产生捕获区和离子操控测量区之间形成很好的真空缓冲，保持了离子操控测量区的高真空离子生存环境，也降低了离子/量子比特丢失的概率。

上述离子存储区用于向离子操控测量区补充离子具有可以是：当离子操控测量区发生离子或者量子比特丢失时，离子存储区将其存储的离子补充至离子操控测量区。离子操控测量区用于进行量子操控和测量操作的离子可以是直接由离子生成与捕获区生成并捕获后转移至离子操控测量区进行离子操控和测量操作，当离子操作测量区在进行量子操控和测量操作过程中发生离子或者量子比特丢失的情况下，利用离子存储区存储的离子进行离子补给。

在第一方面的一种可能的实现方式中，离子存储区可以通过离子囚禁辅助激光和离子囚禁电场对所述离子存储区内的离子进行存储。可选的，所述离子囚禁辅助激光可以包括：第一激光和第二激光，所述第一激光用于：冷却所述离子存储区内的离子，激发所述离子存储区内的离子处于发出荧光的状态；所述第二激光用于：辅助所述离子存储区内的离子在所述第一激光的激发下发出荧光，即，增加所述离子存储区的离子处于所述发出荧光的状态的时间。所述离子囚禁电极用于：产生囚禁所述离子存储区内的离子所需的所述离子囚禁电场。可选的，所述离子囚禁电极可以包括：两种电极，所述两种电极分别被施加射频信号和直流电压信号，所述离子囚禁电极用于：通过设定所述直流电压信号的电压值以控制所述离子存储区内的离子排布。进一步的，所述离子囚禁电极还可以包括：接地电极。上述第一激光和第二激光均是由激光发射器发射的，其中该激光发射器可以内置也可以外置。在上述可能的实现方式中，在离子存储区只需要通过离子囚禁辅助激光和离子囚禁电场便可以实现对离子的存储，其实现较为简单，更便于实现。

在第一方面的第一种可能的实现方式中，离子存储区内的直流电极对的数目大于或者等于离子存储区内的离子数目。从上述可能的实现方式中，一对直流电极对应囚禁一个离子，离子存储区中的每一个离子均采用单独的直流电极对进行单独囚禁控制，从而可以使得在向离子操控测量区进行离子补给时，可以直接调节离子对应的直流电极对上的电压灵活地控制离子转移。

在第一方面的一种可能的实现方式中，离子存储区还可以包括监测设备，所述监测设备用于：实时监测所述离子存储区中存储的离子数目以及每一个离子的位置。可选的，所述监测设备包括但不限于：荧光监测设备。在上述可能的实现方式中，通过监测设备对离子数目以及离子的位置进行实时监测，能够独立的探测到每个存储离子的位置。

在第一方面的一种可能的实现方式中，离子阱装置中离子生成与捕获区和离子存储区的数目均可以是两个以及两个以上，其中所述离子生成与捕获区与所述离子存储区之间的数量关系：可以是一一对应关系，或者，也可以是M个所述离子生成与捕获区对应N个所述离子存储区，所述M、N均为大于或者等于2的正整数，并且M不等于N。在上述可能的实现方式中，离子生成与捕获区和离子存储区的数目关系可以灵活配置，根据不同场景适应不同的数目的离子生成与捕获区以及离子存储区。

在第一方面的一种可能的实现方式中，离子阱装置中可以包括一个或者多个离子生成与捕获区。当离子阱装置只有一个离子生成与捕获区时，该离子生成与捕获区可以生成一种或者多种类型的离子。当离子阱装置中存在多个离子生成与捕获区时，一个离子生成与捕获区生成一种类型的离子。可选的，离子生成与捕获区的数目可以等于量子操控和测量操作所需的离子类型数目。在上述可能的实现方式中，可以实现同一个离子阱装置产生一种以上的离子类型的离子，通过不同离子类型的离子可以实现不同的离子操控和侧量操作，使得离子操控和测量更加灵活和高效。

在第一方面的一种可能的实现方式中，离子阱装置中还可以包括：离子装载区，所述离子装载区位于所述离子存储区和所述离子操控测量区之间，用于为离子转移提供装载通道。具体来说，所述离子装载区可以用于：为离子存储区存储的离子转移至离子操控测量区提供一个或者多个装载通道。在上述可能的实现方式中，通过离子装载区中的离子装载通道对离子进行装载，可以准确的控制离子装载的位置，使得离子可以快速准确地转移至离子操控和测量区。

在第一方面的一种可能的实现方式中，所述离子操控测量区为一维离子操控测量区，所述离子装载区用于：通过激光和离子囚禁电场，将所述离子存储区内的离子转移至所述一维离子操控测量区中；或者，所述离子装载区用于：通过一对控制电极控制离子运动方向，将所述离子存储区存储的离子转移至所述一维离子操控测量区中。

在第一方面的一种可能的实现方式中，所述离子操控测量区为所述二维离子操控测量区，所述离子装载区用于：通过两对控制电极控制离子运动方向，将所述离子存储区内的离子移动至所述二维离子操控测量区中，其中两对控制电极板分别对应两个相互正交的方向。在上述可能的实现方式中，采用两对控制电极构成的二维离子装载通道作为离子补给通道，可以针对离子操控测量区内发生的离子丢失进行针对性的快速离子补充。

在第一方面的一种可能的实现方式中，离子阱装置中还可以包括：控制器，控制器用于：当发生离子或者量子比特丢失时，利用存储的离子进行离子补给。具体来说，若发生离子丢失现象，控制器具体用于：确定丢失离子的位置，将存储的离子转移至丢失离子的位置；若发生量子比特丢失，控制器具体用于：确定丢失量子比特的离子的位置，将丢失量子比特的离子移出其所在的位置，将存储的离子转移至丢失量子比特的离子的位置。需要说明的是，量子比特是离子上携带的量子信息，用于进行量子操控和测量操作，离子丢失，则离子携带的量子比特也不存在了，量子比特丢失，则离子本身并没有丢失而是离子携带的量子比特丢失了。

在第一方面的一种可能的实现方式中，所述控制器还用于：当完成对丢失离子或者丢失量子比特的离子对应的离子补给时，重新计算对丢失离子或丢失量子比特的离子对应的量子操控和测量操作。

在第一方面的一种可能的实现方式中，所述控制器还用于：当完成对丢失离子或者丢失量子比特的离子对应的离子补给时，离子阱装置重新计算对丢失离子或丢失量子比特的离子对应的量子操控和测量操作。

在第一方面的一种可能的实现方式中，所述控制器还用于：在结束每一次量子操控和测量操作之后，离子阱装置判断是否发生离子丢失或者量子比特丢失；若没有离子和量子比特丢失，离子阱装置执行下一次量子操控和测量操作。

从上述几种可能的实现方式中，控制器可以同时对离子存储区以及离子操控测量区进行协调控制，使得离子存储区的离子可快速地补充到离子操控测量区。

第二方面，本申请实施例提供一种离子阱装置的控制方法，包括：离子阱装置生成并捕获离子；离子阱装置对捕获的离子进行存储，利用存储的离子进行离子补给；利用离子进行量子操控和测量操作。

从以上第二方面提供的离子阱装置的控制方法，可以看出：离子阱装置新增加了离子存储功能，进而，利用存储的离子进行离子补给，可以省去重新生成与捕获离子的过程，降低离子补给耗时，可以实现离子的快速补充。进一步的，当发生离子或者量子比特丢失现象时可以快速补充新的离子，进而降低离子或者量子比特丢失对量子操控和测量操作的影响。

在第二方面的一种可能的实现方式中，离子阱装置利用存储的离子进行离子补给具体可以是：当发生离子或者量子比特丢失时，离子阱装置利用存储的离子进行离子补给。具体来说，若发生离子丢失现象，离子阱装置确定丢失离子的位置，离子阱装置将存储的离子转移至丢失离子的位置；若发生量子比特丢失，离子阱装置确定丢失量子比特的离子的位置，离子阱装置将丢失量子比特的离子移出其所在的位置，离子阱装置将存储的离子转移至丢失量子比特的离子的位置。

上述离子阱装置确定丢失离子的位置或丢失量子比特的离子的位置对应的确定方式可以是：离子阱装置通过监测设备实时监测存储的离子数目以及每一个离子的位置。其中监测设备可以包括但不限于：荧光监测设备。进一步的，离子阱装置可以通过荧光监测设备对离子进行监测的前提是：离子阱装置中存储的离子会发出荧光。离子阱装置还可以通过离子囚禁辅助激光控制存储的离子发出荧光。具体的，离子囚禁辅助激光可以包括：第一激光和第二激光，所述第一激光用于：冷却所述离子存储区内的离子，激发所述离子存储区内的离子处于能够发出荧光的状态；所述第二激光用于：辅助所述离子存储区内的离子在所述第一激光的激发下发出荧光。

上述离子阱装置控制离子转移的方式可以是：离子阱装置通过调节离子囚禁电极上的直流电压信号的电压值以控制离子转移，其中离子囚禁电极可参阅上述第一方面中的相关描述，此处不再赘述。

在第二方面的一种可能的实现方式中，当完成对丢失离子或者丢失量子比特的离子对应的离子补给时，离子阱装置重新计算对丢失离子或丢失量子比特的离子对应的量子操控和测量操作。

在第二方面的一种可能的实现方式中，所述控制方法还包括：在结束每一次量子操控和测量操作之后，离子阱装置判断是否发生离子丢失或者量子比特丢失；若没有离子和量子比特丢失，离子阱装置执行下一次量子操控和测量操作。

附图说明

图1(a)为本申请实施例中离子阱装置的系统框架结构示意图；

图1(b)为本申请实施例中提供的一种三维离子囚禁电极结构示意图；

图1(c)为本申请实施例中提供的一种平面离子囚禁电极结构示意图；

图2为本申请实施例提供的一个一维链状离子供应结构的离子阱装置示意图；

图3为本申请实施例提供的一个具有多个离子生成与捕获区的离子阱装置；

图4为本申请实施例提供的同时补给两种类型的离子的离子阱装置；

图5为本申请实施例提供的离子装载通道可调的离子阱装置；

图6为本申请实施例提供的离子阱装置的控制方法的一个实施例示意图；

图7为本申请实施例提供的一个离子/量子比特丢失的处理流程图。

具体实施方式

本申请实施例提供了一种离子阱装置及其控制方法，用于快速补充离子，降低离子补给耗时，降低离子或者量子比特丢失对量子操控和测量操作的影响。

下面结合附图，对本申请实施例中的一种离子阱装置及其控制方法进行详细描述。

本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的术语在适当情况下可以互换，这仅仅是描述本申请的实施例中对相同属性的对象在描述时所采用的区分方式。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，以便包含一系列单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于那些单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它单元。

本申请实施例的技术方案可以用于离子阱系统中激光和离子相互作用的应用场景，包括但不限于：量子操控和测量操作。本申请实施例中的技术方案也适应于特定的激光频标和分子能谱测定的应用场景中。

图1(a)为本申请实施例中离子阱装置的系统框架结构示意图。

如图1(a)所示，本申请实施例中离子阱装置10包括：离子生成与捕获区101、离子存储区102和离子操控测量区103；其中离子存储区102位于离子生成与捕获区101和离子操控测量区103之间。

离子生成与捕获区101用于：生成离子并捕获生成后的离子。具体来说，在离子生成与捕获区101内，中性原子经过电离过程变成离子，且通过施加特定的电磁场将离子捕获。

离子存储区102用于：存储离子生成与捕获区101捕获的离子，利用存储的离子向离子操控测量区103进行离子补给。具体来说，离子存储区102可以将离子生成与捕获区101捕获的离子按照一定的排布结构进行存储。

离子操控测量区103用于：利用囚禁在离子操控测量区103的离子进行量子操控和测量操作。一般来说，在离子操控测量区内，一般按照特定的量子算法，对离子和/或量子比特进行特定的初始化、量子操控和测量，既包括相干量子操控，也包括非相干量子操控。量子操控和测量操作中主要包括量子计算，因此离子操控测量区也可以称之为量子计算区或者量子操控测量区。

上述离子存储区向离子操控测量区补充离子具体可以是：当离子操控测量区发生离子或者量子比特丢失时，离子存储区将其存储的离子补充至离子操控测量区。离子操控测量区用于进行量子操控和测量操作的离子可以是直接由离子生成与捕获区生成并捕获后转移至离子操控测量区进行离子操控和测量操作，也可以是由离子生成与捕获区生成并捕获后，通过量子存储区转移至离子操控测量区的，当离子操作测量区在进行量子操控和测量操作过程中发生离子或者量子比特丢失的情况下，利用离子存储区存储的离子进行离子补给。

需要说明的是，在离子阱装置中，离子生成与捕获速度较慢，例如，一般针对一个中性原子源产生与捕获的时间约为1秒，因此，现有方案：当离子操控测量区发生离子或者量子比特丢失时，通过重启离子生成与捕获流程向离子操控测量区补充新的离子的技术方案，其离子补给速度较慢，容易造成量子离子操控测量区内的量子操控和测量操作的结果丢失。

从以上技术方案中可以看出，与现有离子阱装置相比，本申请实施例中的离子阱装置包括离子存储区，可以存储离子，并且利用存储的离子向离子操控测量区补充的离子，从而无需重新生成与捕获性的离子进行离子补给，实现离子的快速补给。进一步的，当发生离子或者量子比特丢失现象时可以快速补充新的离子，进而降低离子或者量子比特丢失对量子操控和测量操作的影响。

可选的，离子存储区102中可以通过离子囚禁辅助激光和离子囚禁电场对所述离子存储区内的离子进行存储。

一方面，离子囚禁辅助激光可以包括但不限于：第一激光和第二激光，第一激光用于：冷却离子存储区内的离子，激发离子存储区内的离子处于能够发出荧光的状态，第一激光也可以称之为冷却激光；第二激光用于：辅助离子存储区内的离子在所述第一激光的激发下发出荧光，第二激光可以称之为再抽运激光。具体来说，第一激光用于冷却离子存储区内的离子，降低离子的动能，在第一激光冷却后的离子处于能够发出荧光的状态，但是存在一定的概率，离子在第一激光的冷却后不能发出荧光或者离子在发出荧光之后，又脱离这个状态，因此，通过第二激光可以确保离子存储区内的离子在第一激光的激发下发出荧光，并相对稳定地维持在发出荧光的状态下。

另一方面，离子存储区102中还包括：离子囚禁电极，用于产生囚禁离子存储区内的离子所需的离子囚禁电场。可选的，离子存储区内的电极数目大于离子存储区内的离子数目。可选的，离子囚禁电极可以包括：两种电极，所述两种电极分别被施加射频信号和直流电压信号，所述离子囚禁电极用于：通过设定所述直流电压信号的电压值以控制所述离子存储区内的离子排布在所述离子存储区中。进一步的，所述离子囚禁电极还可以包括：接地电极。

例如，图1(b)和图1(c)为本申请实施例中提供的离子囚禁电极的两种电极结构示意图。其中图1(b)和图1(c)所示的电极结构中均包括两种电极，一种被施加射频信号的电极，可以称之为射频RF电极，另一种被施加直流DC电压信号的电极，可以称之为直流DC电极。

图1(b)为通过微纳加工技术实现的三维离子囚禁电极结构，包括：一对射频RF电极和至少一对直流DC电极，上述一对射频RF电极和至少一对直流DC电极均以离子囚禁区为中心对称分布。其中图1(b)中示出了6对直流DC电极，虚线轴位置为图1(b)的电极结构产生的离子囚禁电场中电势最小的位置，即为离子囚禁区。通过在不同的DC电极上施加不同的电压值，就可以沿着虚线轴实现不同的离子囚禁电场，进而控制离子沿虚线排布的具体空间位置，例如通过改变DC电极的电压值来实现离子沿着虚线轴均匀排列。

图1(c)是根据图1(b)所示的三维离子囚禁电极结构进行改造后得到的平面离子囚禁电极结构，包括：一对射频RF电极、至少一对直流DC电极和一个接地电路C，接地电极C位于于两个射频RF电极之间，至少一对直流DC电极分别位于两个射频RF电极的两侧。与上述图1(b)中所示的三维离子囚禁电极结构不同之处在于：一对射频RF电极和至少一对直流DC电极均位于同一平面上；由于接地电极C的存在，可以使得离子囚禁电场中电势最小的位置位于距离接地电极C的高度为h的位置，即离子囚禁区域位于距离接地电极C高度为h的位置。通过调节通过改变DC电极的电压值可以调节高度h，以及使得离子均匀排布。

可选的，离子阱装置10还可以包括：监测设备104，用于实时监测所述离子存储区中存储的离子数目以及每一个离子的位置。进一步可选的，监测设备104包括但不限于荧光监测设备，具体来说，荧光监测设备通过监测离子存储区102中存储每一个离子发出的荧光以实时显示离子存储区102内的离子数目以及每一个离子的位置。

可选的，离子阱装置10还可以包括：离子装载区105，离子装载区105位于离子存储区102和离子操控测量区103之间，用于为离子转移提供装载通道。具体来说，离子装载区105可以用于：为离子存储区102存储的离子转移至离子操控测量区103提供一个或者多个装载通道。离子装载区105可以由类似于图1(b)或图1(c)所示的离子囚禁电极构成，通过调节不同的DC电极上的电压值，就可以实现离子的移动，从而实现离子装载。离子操控测量区103可以包括但不限于：一维离子操控测量区或者二维离子操控测量区。

若离子操控测量区103为一维离子操控测量区，则离子装载区105可以通过激光和离子囚禁电场，将所述离子存储区存储内的离子转移至所述一维离子操控测量区中；或者，离子装载区105也可以通过一对控制电极控制离子运动方向，将离子存储区存储的离子转移至所述一维离子操控测量区中。其中上述离子囚禁电场与离子存储区的离子囚禁电场的结构类似，不同之处在于，由于在离子囚禁电场在离子装载区和离子存储区的功能不一样，因此，离子装载区的离子囚禁电场的参数设置不同于离子存储区。一般而言，离子装载区的离子囚禁电场的参数设计更加严格。

可选的，离子存储区102可以包括：控制器106，用于：当发生离子或者量子比特丢失时，利用存储的离子进行离子补给。具体来说，若发生离子丢失现象，控制器具体用于：确定丢失离子的位置，将存储的离子转移至丢失离子的位置；若发生量子比特丢失，控制器具体用于：确定丢失量子比特的离子的位置，将丢失量子比特的离子移出其所在的位置，将存储的离子转移至丢失量子比特的离子的位置。

进一步的，控制器106还用于：当完成对丢失离子对应的离子补给时，重新计算对丢失离子对应的量子操控和测量操作；当完成对丢失量子比特的离子对应的离子补给时，重新计算对丢失量子比特的离子对应的量子操控和测量操作。

在进一步的，控制器106还用于：在结束每一次量子操控和测量操作之后，离子阱装置判断是否发生离子丢失或者量子比特丢失；若没有离子和量子比特丢失，离子阱装置执行下一次量子操控和测量操作。

在一种可能的实施例中，离子阱装置中离子生成与捕获区和离子存储区的数目均可以是两个以及两个以上，其中所述离子生成与捕获区与所述离子存储区之间的数量关系：可以是一一对应关系，或者，也可以是M个所述离子生成与捕获区对应N个所述离子存储区，所述M、N均为大于或者等于2的正整数，并且M不等于N。

在一种可能的实施例中，离子阱装置中可以包括一个或者多个离子生成与捕获区。其中当离子阱装置只有一个离子生成与捕获区时，该离子生成与捕获区可以生成一种或者多种类型的离子。当离子阱装置中存在多个离子生成与捕获区时，一个离子生成与捕获区生成一种类型的离子。可选的，离子生成与捕获区的数目可以大于或者等于量子操控和测量操作所需的离子类型数目。例如，离子生成与捕获区可以生成两种类型的离子，其中一种离子用于进行量子操控和测量操作，另一种离子用于协同冷却和通讯，或者，另一种离子用于感知环境的噪声等。

应理解，离子生成与捕获区101可以包括如图1(b)和图1(c)所示的离子囚禁电极结构，通过电离激光将中性原子电离成离子，再通过离子囚禁电极结构对离子进行捕获，其中，电离激光可以是内置激光器发出，也可以是外置激光器发出，本申请不做限制。离子操控测量区103也可以包括如图1(b)和图1(c)所示的离子囚禁电极结构，将离子固定在特定位置上，通过量子操控激光对离子进行操控，同理，量子操控激光也可以由内置激光器发出，也可以是外置激光器发出，本申请不做限制。

需要说明的是，图1(b)和图1(c)只是示例性地给出了两种常用的离子囚禁电极结构，还可能存在其他种类的离子囚禁电极结构，无论使用哪种离子囚禁电极结构，只要实现的是本申请的离子阱装置，均在本申请的保护范围之内。

下面结合离子阱装置的具体物理实现结构进行详细说明。

本申请实施例中所述的离子生成与捕获区也可以称之为离子产生与捕获区，上述图1(a)中所述的离子生成与捕获区101具体可以是图2至图5中示出的离子产生与捕获区。上述图1(a)中所述的监测设备106具体可以是图2至图5中示出的存储离子状态监测设备，一般为荧光监测设备。以下图2至5中所示的黑色线条表示囚禁离子的电极结构，具体结构可参阅上述图1(b)和图1(c)中所示的离子囚禁电极结构。

图2为本申请实施例提供的一个一维链状离子供应结构的离子阱装置示意图。

如图2所示，离子阱装置包括：一个离子产生与捕获区201、一个离子存储区202、离子装载通道203、离子操控测量区204，其中离子装载通道203的数量可以是一个或者多个，离子操控测量区204也可以是一个或者多个，一个或者多个离子装载通道可以对应一个离子操控测量区，图2以三个离子装载通道对应一个离子操控测量区为例。另外，离子存储区除用于存储离子的囚禁电极之外，还包括一个用于监测存储离子状态的装置如图2中所示的存储离子状态监测设备205，该监测设备可以包括但不限于以下几种荧光探测设备：电荷耦合器件(charge-coupled device，CCD)、增强电荷耦合器件(intensified charge-coupled device，ICCD)或者电子倍增电荷耦合器件(electron-multiplying charge-coupled device，EMCCD)。

需要说明的是，以上电荷耦合器件CCD、增强电荷耦合器件ICCD和电子倍增电荷耦合器件EMCCD通过实时收集离子存储区存储的每个离子发出的荧光，进而得到每个离子的状态，后续图3至图5中所示的存储离子状态监测设备与此相同，下文中将不再赘述。

一般而言，在离子阱装置中只有离子操控测量区的离子会携带计算信息，其他区域内只需要保持离子的稳定囚禁，而不需要关注量子态的相干性。离子在每个区域内按照特定的顺序结构排布，在每个区域内和区域之间可通过改变电场(即改变电极电压)来实现离子的位置移动。

本实施例通过增加了离子存储功能区，在发生离子/量子比特丢失的时候可以实现快速补给新离子，所需时间远小于一般量子态的相干时间，从而不会造成全部的量子操控和测量操作的结果丢失。另外，离子存储区在离子产生捕获区和量子操控和测量操作区之间形成很好的真空缓冲，保持了离子操控测量区的高真空离子生存环境，也降低了离子/量子比特丢失的概率。

图3为本申请实施例提供的一个具有多个离子生成与捕获区的离子阱装置。

如图3所示的离子阱装置是在基于图2所示的离子阱结构的基础上扩展为多个离子产生与捕获区301和一个离子存储区302的离子阱装置，其相关描述可参阅上述图2中的描述，此处不再赘述。

与图2所示的离子阱装置相比，图3中的离子阱装置，可以通过多个离子产生与捕获区提供离子，以提升离子阱装置的运行效率。

图4为本申请实施例提供的同时补给两种类型的离子的离子阱装置。

与图2所示的离子阱装置相比，图4中的离子阱装置的区别之处在于：使用了两种离子，包含两种类型离子的离子产生和捕获区401以及离子存储区402，这两种类型的离子经过离子装载通道403来实现离子的补给，离子装载通道403可以是共用的，也可以是独立使用的。需要说明的是，图4中的离子阱装置还可以扩展至包括三种或三种以上的离子的离子产生和捕获区以及离子存储区。

可以理解，一方面，采用的是不同的离子存储区，这样能够有序的装载离子。任何一种离子在任意一个离子操控测量区发生丢失的时候都可以从最近的离子装载通道快速的补充新离子。另一方面，采用了多种类型的离子，这样可以使用一种离子进行量子操控和测量操作，其他类型的离子用于协同冷却和通讯。同时，其他类型的离子还可以用于感知环境的噪声，进而进行反馈，用于对量子操控和测量操作的结果进行纠错。

图5为本申请实施例提供的离子装载通道可调的离子阱装置。

如图5所示，与图2所示的离子阱装置相比，图5中的离子阱装置的区别之处在于：

一、离子操控测量区504使用了二维的离子排布结构即二维离子操控测量区，图5中离子操控测量区504由DC电极5042和RF电极5041构成，其中DC电极5042为一个一个分立的电极，而RF电极5041填充在DC电极5042之间，这样的电极结构就可以生成二维离子囚禁势场：在每个DC电极的上方为囚禁势能最小的地方，因此离子会排布成二维的格点结构于芯片之上。此种结构能极大地提高量子模拟的性能。

二、离子装载通道503也不一样，通过离子存储区的电压设置给离子一定的初速度，然后经过两对方向控制电极板(图5中的两对电极板，分别控制两个相互正交的方向)，接着被离子操控测量区的电场减速，最后精确进入指定的量子操控和测量操作的区域。因此，图5所示的离子装载通道路径由两对方向控制电极板进行控制。

两对方向控制电极板的工作原理为：每对电极板包含两个电压可调的电极板，离子从两个电极板之间穿过，通过设置两个电极板上的电压值，可以控制离子经过这对电极板之后的运动方向。采用两对在空间上保持互相垂直的电极板，就可以在两个维度上控制离子的运动方向。进而可以精确的控制离子装载的路径，最终进入不同的二维格点位置。

图5所示的离子阱装置采用了可调的离子装载路径作为离子的补给通道，这也针对任意量子操控和测量操作的区域发生的离子丢失都能够进行针对性的快速补充。更重要的是针对离子存储区和离子操控测量区在空间中距离较远的时候，简化了用于离子装载通道的复杂电极结构。

对于本申请实施例中的离子存储区有以下几点说明：

第一、在本申请实施例中的所述的离子存储区与其他区域相比，离子存储区一般只需要施加离子囚禁辅助激光(一般包括冷却激光和再抽运激光等)和囚禁离子的电场即可，冷却激光照射到所有的离子上，使离子处于发出荧光的状态，并对所有的离子进行激光冷却，保证离子动能较小，结合离子囚禁的势场，使得离子稳定的囚禁在离子存储区内，再抽运激光用于增加离子在冷却激光的激发下处于发出荧光状态的时间。

第二、离子操控测量区内需要依据具体的系统参数(电极结构和电噪声等)和量子操控需求(初始化效率和量子门速度等)对离子囚禁的势阱进行严格设计。例如：在离子操控测量区内，离子距离电极的高度要严格选定，不同高度对应不同的离子囚禁稳定性和不同的电噪声，而离子存储区内离子距离电极的高度没有严格的要求；其次，在离子操控测量区内，为了实现高保真度的量子门，对所加载的RF信号和DC信号需要通过优化过程来选取，而离子存储区则不需要此优化过程；另外，离子操控测量区内，冷却激光和再抽运激光的功率和频率都需要严格设定，不同的功率和频率会导致不同的量子操控效果，而离子存储区内冷却激光和再抽运激光只要保证离子不跑出存储区就可以。总体说来，在离子存储区内，离子的囚禁势场设定相对离子操控测量区要求要宽松很多，但是一般囚禁势场的深度要高于离子操控测量区，这样是为了保证这些离子在存储区内拥有足够长的寿命。

第三、在离子存储区内，一般通过设定DC电极的电压大小，使得离子之间呈现出均匀排布，以使得在进行离子移动控制的时候，能够更加精确高效的将指定的离子移到指定的空间位置，同时能保证离子按照指定的顺序结构进入量子操控测量操作区。假设离子之间的距离为20微米，那么在长度为1厘米的离子存储区内就可以存储500个离子。当然，离子也可以是非均匀排布。

介绍了本申请实施例中离子阱装置的系统框架结构之后，对上述离子阱装置的运行流程进行说明：

初始化的时候，启动离子生成与捕获过程，若有多个离子生成与捕获区则可以实现并行加速。当捕获到离子的时候，可以有两种操作方式：第一种为：将离子按照一定的顺序结构存入到离子存储区，一般要求存入的总离子数目多于特定量子操控和测量操作需求的离子数目，需要预存的多出的数目可以按照离子/量子比特丢失的概率进行估算，然后，通过离子装载通道将量子操控和测量操作需求数目的离子装入到离子操控测量区，装载是按照一定的顺序进行。第二种为：将电离捕获区生成的离子直接装载到离子操控测量区，当装载了量子操控测量所需求数目的离子之后，再运送一定数量的离子到离子存储区，用于后续的离子补充过程。

最后，启动离子操控测量过程，并在离子操控测量过程中判断离子或量子比特丢失情况，若发现上述任一种情况，则快速启动离子装载过程，利用离子存储区内存储的离子补充丢失的离子或者替换丢失的量子比特。

图6为本申请实施例提供的离子阱装置的控制方法的一个实施例示意图。

结合上述图2中所述的离子阱装置，对本申请实施例中离子阱装置的控制方法进行详细说明，包括：

601、离子阱装置生成并捕获离子。

离子阱装置生成并捕获离子，具体可以是：控制离子阱装置10中的离子生成与捕获装置101将中性原子经过电离过程变成离子，且通过施加特定的电磁场将离子捕获。

602、离子阱装置存储捕获的离子，利用存储的离子进行离子补给。

离子阱装置存储捕获的离子，利用存储的离子进行离子补给，具体可以是：控制离子阱装置10中的离子存储装置102将离子生成与捕获区101捕获的离子按照一定的排布结构进行存储，利用离子存储装置102存储的离子向离子操控测量区103进行离子补给。

离子阱装置利用存储的离子进行离子补给具体可以是：当发生离子或者量子比特丢失时，离子阱装置利用存储的离子进行离子补给。具体来说，若发生离子丢失现象，离子阱装置确定丢失离子的位置，离子阱装置将存储的离子转移至丢失离子的位置；若发生量子比特丢失，离子阱装置确定丢失量子比特的离子的位置，离子阱装置将丢失量子比特的离子移出其所在的位置，离子阱装置将存储的离子转移至丢失量子比特的离子的位置。

离子阱装置确定丢失离子的位置或丢失量子比特的离子的位置对应的确定方式可以是：离子阱装置通过监测设备实时监测存储的离子数目以及每一个离子的位置。

离子阱装置控制离子转移的方式可以是：离子阱装置通过调节离子囚禁电极上的直流电压信号的电压值以控制离子转移，其中离子囚禁电极可参阅上述第一方面中的相关描述，此处不再赘述。

可选的，当完成对丢失离子或者丢失量子比特的离子对应的离子补给时，离子阱装置重新计算对丢失离子或丢失量子比特的离子对应的量子操控和测量操作。进一步的，在结束每一次量子操控和测量操作之后，离子阱装置判断是否发生离子丢失或者量子比特丢失；若没有离子和量子比特丢失，离子阱装置执行下一次量子操控和测量操作。

603、离子阱装置利用离子进行离子操控和测量操作。

离子阱装置利用离子进行离子操控和测量操作具体可以是：对囚禁在离子阱装置10中离子操控测量区103中离子进行离子操控和测量操作。

本申请实施例中，离子阱装置新增加了离子存储功能，进而，利用存储的离子进行离子补给，可以省去重新生成与捕获离子的过程，降低离子补给耗时，可以实现离子的快速补充。进一步的，当发生离子或者量子比特丢失现象时可以快速补充新的离子，进而降低离子或者量子比特丢失对量子操控和测量操作的影响。

进一步的，离子存储区在离子产生捕获区和离子操控测量区之间形成很好的真空缓冲，保持了离子操控测量区的高真空离子生存环境，也降低了离子/量子比特丢失的概率。

下面介绍发生离子/量子比特丢失的处理流程。

图7为本申请实施例提供的一个离子/量子比特丢失的处理流程图。

如图7所示，一般在量子计算机上运行量子算法时，都需要将算法重复运行次数N(也叫全局量子计算过程)，然后根据统计结果得到最终的量子计算结果，N为大于1的正整数。

离子/量子比特丢失的条件判断：一般在单次量子计算的过程结束之后，通过探测离子状态来判定，如通过探测多普勒冷却的时序中每个离子的荧光来判断；也可以使用多种类型离子的混合量子计算(其中一种类型的离子作为辅助量子比特，不携带量子信息)，通过探测辅助量子比特来判断携带量子信息的离子丢失情况。

此处考虑在运行全局量子计算的过程中，在不破坏最终量子计算结果的前提下，在全局的量子计算运行过程中判断离子/量子比特的丢失情况并进行处理：

1、若没有发生离子/量子比特丢失则继续运行全局的量子计算。

2、若发生离子丢失，首先判断丢失离子的区域，然后通过离子装载通道快速的将离子补充进入该区域。由于此区域的离子丢失，也就是离子携带的量子信息丢失，因此需要重新计算该区域中的量子计算过程。最后就是继续运行全局的量子计算。

3、若发生量子比特丢失，首先需要剔除丢失量子比特的离子(比如用离子位置交换的方法将丢失量子比特的离子移除量子计算区)，然后就是补充新的离子并且重启丢失量子信息的部分量子运算过程，最后就是继续运行全局的量子计算。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将装置的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

以上所述，以上实施例仅用以对本申请的技术方案进行了详细介绍，但以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，不应理解为对本发明的限制。本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (19)

1.一种离子阱装置，其特征在于，包括：离子生成与捕获区，离子存储区和离子操控测量区，

所述离子存储区位于所述离子生成与捕获区与所述离子操控测量区之间；

所述离子生成与捕获区，用于生成离子并捕获生成后的离子；

所述离子存储区，用于存储所述离子生成与捕获区捕获的离子，以及向所述离子操控测量区补充离子；

所述离子操控测量区，用于对囚禁在所述离子操控测量区的离子进行量子操控和测量操作。

2.根据权利要求1所述的离子阱装置，其特征在于，所述离子存储区通过离子囚禁辅助激光和离子囚禁电场对所述离子生成与捕获区捕获的离子进行存储。

3.根据权利要求2所述的离子阱装置，其特征在于，所述离子囚禁辅助激光包括：第一激光和第二激光，所述第一激光用于：冷却所述离子存储区内的离子，激发所述离子存储区内的离子处于发出荧光的状态；所述第二激光用于：增加所述离子存储区内的离子处于所述发出荧光的状态的时间。

4.根据权利要求3所述的离子阱装置，其特征在于，所述离子存储区还包括监测设备，用于实时监测所述离子存储区中存储的离子数目以及每一个离子的位置。

5.根据权利要求2至4任一项所述的离子阱装置，其特征在于，所述离子存储区包括离子囚禁电极，用于产生囚禁所述离子存储区内的离子所需的所述离子囚禁电场。

6.根据权利要求5所述的离子阱装置，其特征在于，所述离子囚禁电极包括：两种电极，所述两种电极分别被施加射频信号和直流电压信号；所述离子囚禁电极，用于通过设定所述直流电压信号的电压值以控制所述离子存储区内的离子排布。

7.根据权利要求6所述的离子阱装置，其特征在于，所述离子囚禁电极包括：一对射频电极和至少一对直流电极，所述一对射频电极和所述至少一对直流电极均以离子囚禁区为中心对称设置，所述离子囚禁区为所述离子囚禁电场中电势最小的位置。

8.根据权利要求7所述的离子阱装置，其特征在于，所述离子存储区内的直流电极对的数目不小于所述离子存储区内的离子数目。

9.根据权利要求1至8任一项所述的离子阱装置，其特征在于，所述离子生成与捕获区与所述离子存储区之间的数量关系可以是一一对应关系；或者，所述离子生成与捕获区与所述离子存储区之间的数量关系可以是：M个所述离子生成与捕获区对应N个所述离子存储区，所述M、N均为大于或者等于2的正整数，并且M不等于N。

10.根据权利要求1至8任一项所述的离子阱装置，其特征在于，所述离子生成与捕获区的数量为一个或者多个，每一个离子生成与捕获区生成一种类型的离子。

11.根据权利要求1至8任一项所述的离子阱装置，其特征在于，所述离子阱装置还包括离子装载区，所述离子装载区位于所述离子存储区和所述离子操控测量区之间；

所述离子装载区，用于为所述离子存储区存储的离子转移至所述离子操控测量区提供一个或者多个装载通道。

12.根据权利要求11所述的离子阱装置，其特征在于，所述离子操控测量区为一维离子操控测量区，所述离子装载区，用于通过激光和离子囚禁电场，将所述离子存储区内的离子转移至所述一维离子操控测量区中；或者，所述离子装载区，用于通过一对控制电极控制离子运动方向，将所述离子存储区内的离子转移至所述一维离子操控测量区中。

13.根据权利要求11所述的离子阱装置，其特征在于，所述离子操控测量区为二维离子操控测量区，所述离子装载区，用于通过两对控制电极控制离子运动方向，将所述离子存储区内的离子移动至所述二维离子操控测量区中，其中，两对控制电极控制离子的运动方向相互正交。

14.根据权利要求1至8任一项所述的离子阱装置，其特征在于，所述离子阱装置还包括控制器；

所述控制器，用于若所述离子操控测量区内的离子丢失，控制所述离子存储区内的离子移动至所述离子操控测量区中丢失离子对应的位置；控制所述离子操控测量区重新执行所述丢失离子对应的量子操控和测量操作。

15.根据权利要求14所述的离子阱装置，其特征在于，所述控制器用于：

若所述离子操控测量区内离子携带的量子比特丢失，控制丢失量子比特的离子移出所述离子操控测量区；控制所述离子存储区内的离子移动至所述离子操控测量区中所述丢失量子比特的离子对应的位置；控制所述离子操控测量区重新执行所述丢失量子比特的离子对应的量子操控和测量操作。

16.根据权利要求14或15所述的离子阱装置，其特征在于，所述控制器还用于：

在结束每一次量子操控和测量操作之后，判断所述离子操控测量区内的离子以及离子携带的量子比特是否丢失；

若所述离子操控测量区内的离子和离子携带的量子比特均没有丢失，执行下一次量子操控和测量操作。

17.一种离子阱装置的控制方法，其特征在于，包括：

离子阱装置生成离子并捕获生成后的离子；

所述离子阱装置存储捕获后的离子，利用存储的离子进行离子补给；

所述离子阱装置利用离子进行量子操控和测量操作。

18.根据权利要求17所述的控制方法，其特征在于，所述离子阱装置利用存储的离子进行离子补给，包括：

若发生离子丢失，所述离子阱装置将存储的离子转移至丢失离子位置；重新执行丢失离子对应的量子操控和测量操作；

若发生量子比特丢失，所述离子阱装置将丢失量子比特的离子移出所述丢失量子比特的离子的位置；将存储的离子转移至所述丢失量子比特的离子的位置；重新执行所述丢失量子比特的离子对应的量子操控和测量操作。

19.根据权利要求17或18所述的控制方法，其特征在于，在所述离子阱装置利用存储的离子进行离子补给之前，所述控制方法还包括：

在结束每一次量子操控和测量操作之后，所述离子阱装置判断是否发生离子丢失或者量子比特丢失。

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