CN111902358A - 用于对操作进行相位控制的原子量子位的光学控制 - Google Patents

Abstract

本公开描述了用于相位控制操作的原子量子位的光学控制的各个方面。更具体地，本公开描述了通过施加到量子逻辑门的控制场并且与量子位之间的广义相互作用相结合来相干地控制介导的原子量子位上的量子相位的方法。识别光学/量子位相互作用的各种属性和设置(例如，原子能量结构、激光束几何形状、偏振、光谱、相位、背景磁场)以用于影响和存储量子位中的相位。本公开还描述了如何最佳地匹配这些控制属性，以便控制和稳定量子位相互作用并允许扩展的相位稳定的量子门序列。

Description

用于对操作进行相位控制的原子量子位的光学控制

相关申请的交叉引用

本专利申请要求2019年1月3日提交的名称为“OPTICAL CONTROL OF ATOMICQUANTUM BITS FOR PHASE CONTROL OF OPERATION”的美国非临时申请No.16/239,319和2018年1月4日提交的名称为“OPTICAL CONTROL OF ATOMIC QUANTUM BITS FOR PHASECONTROL OF OPERATION”的美国临时专利申请No.62/613,608的优先权，这两个申请的内容通过整体引用合并于此。

政府许可权

本发明是在智能高级研究项目活动(IARPA)授予的W911NF-16-1-0082下由政府支持进行的。政府在这项发明中有一定的权利。

技术领域

本公开的各方面总体涉及量子系统，并且更具体地，涉及通过施加到量子逻辑门的控制场并且与量子位之间的广义相互作用相结合来相干地控制介导的(mediated)原子量子位上的量子相位的方法。

背景技术

受俘原子是量子信息处理的主要实现之一。基于原子的量子位可以用作量子存储器、量子计算机和模拟器中的量子门，并且可以充当量子通信网络的节点。基于受俘原子离子的量子位享有罕见的属性组合。例如，基于受俘原子离子的量子位具有非常好的相干性，可以以接近100％的效率来制备和测量，并且通过用合适的外部控制场(如光场或微波场)调制它们的库仑相互作用可容易地彼此纠缠。这些属性使得基于原子的量子位对于诸如量子计算或量子模拟之类的扩展(extended)量子操作具有吸引力。然而，量子位相位的同步、稳定性和控制对于扩展量子操作的性能是至关重要的。

因此，在基于原子的量子位操作中允许相位控制的技术是可取的。

发明内容

下面给出一个或多个方面的简要概述，以便对这些方面有一个基本的了解。该概述不是对所有预期方面的广泛概述，并且既不意在识别所有方面的关键或决定性要素，也不意在描绘任何或所有方面的范围。其目的是以简化的形式给出一个或多个方面的一些概念，作为稍后给出的更详细描述的序言。

本公开描述了使用激光束控制受俘原子离子的晶体内的量子位操作的技术。描述了所施加的场和原子量子位结构的多个自由度，其允许控制施加到受俘离子量子位的各种量子操作的相位。

在本公开的一个方面，描述了一种用于原子量子位(qubits)的光学控制的方法，该方法包括识别量子位操作，和控制施加到所述原子量子位中的至少一个的光束中的场以用于所述量子位操作的相位控制，其中所述光束被配置为相位不敏感组态(configuration)，并且其中当量子位操作是多量子位操作时，所述光束包括对向传播光束。

在本公开的另一方面，描述了一种用于原子量子位的光学控制的量子信息处理(QIP)系统，该系统包括一个或多个光源，和光学控制器，其中所述光学控制器被配置为：识别量子位操作；并且控制施加到所述原子量子位中的至少一个的光束中的场以用于所述量子位操作的相位控制，其中所述光束被配置为相位不敏感组态，并且其中当所述量子位操作是多量子位操作时，所述光束包括对向传播光束。

在本公开的另一方面，一种计算机可读介质，其存储具有可由处理器执行以用于原子量子位的光学控制的指令的代码，所述计算机可读介质包含用于识别量子位操作的代码，和用于控制施加到所述原子量子位中的至少一个的光束中的场以用于所述量子位操作的相位控制的代码，其中所述光束被配置为相位不敏感组态，并且其中当所述量子位操作是多量子位操作时，所述光束包括对向传播光束。

本文描述了与用于对操作进行相位控制的原子量子位的光学控制相关联的各个方面的方法、设备和计算机可读存储介质。

附图说明

附图仅示出一些实施方式，因此不应被视为对范围的限制。

图1A示出根据本公开的各方面的真空室的视图，该真空室容纳用于俘获线性晶体中的原子离子的电极。

图1B是示出根据本公开的各方面的简化能级图的示例的图示，该能级图示出了用于状态初始化的激光辐射的应用。

图1C是示出根据本公开的各方面的简化能级图的示例的图示，该能级图示出了用于通过荧光进行量子位状态检测的激光辐射的应用。

图2A是示出根据本公开的各方面的拉曼束几何形状的示例的图示。

图2B是示出根据本公开的各方面的能级图的图示，该能级图示出耦合量子位状态的相干受激拉曼跃迁。

图3A和图3B是示出根据本公开的各方面的同向传播和对向传播光束的示例的图示。

图4是示出根据本公开的各方面的计算机设备的示例的图示。

图5是示出根据本公开的各方面的方法的示例的流程图。

图6A是示出根据本公开的各方面的量子信息处理(QIP)系统的示例的框图。

图6B是示出根据本公开的各方面的光学控制器的示例的框图。

具体实施方式

下面结合附图阐述的详细描述意在作为对各种配置的描述，而不意在表示可实践本文中所描述的概念的唯一配置。该详细描述包括用于提供对各种概念的透彻理解的目的的具体细节。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践这些概念。在一些实例中，以框图形式示出公知组件，以避免模糊这些概念。

如上所述，受俘原子可以用于实现量子信息处理。基于原子的量子位可以用作不同类型的器，包括但不限于量子存储器、量子计算机和模拟器中的量子门以及用于量子通信网络的节点。基于受俘原子离子的量子位可以具有非常好的相干性，可以以接近100％的效率来制备和测量，并且可以通过用合适的外部控制场(如光场或微波场)调制它们的库仑相互作用而容易地彼此纠缠。如在本公开中所使用的，术语“原子离子”、“原子”和“离子”可以互换地用于描述将被约束或实际上被约束在阱中以形成晶体或类似排列或构型的粒子。本公开描述了用于使用激光束来控制受俘原子离子的晶体内的量子位操作的方法或过程以及设备或装置形式的技术。这些技术可利用所施加场和原子量子位结构的多个自由度，其允许控制施加到受俘离子量子位的各种量子操作的相位。量子位相位的同步、稳定性和控制对于诸如在量子计算或量子模拟中使用的扩展量子操作的性能是至关重要的。

用于量子信息和计量目的的典型离子阱几何形状或结构是线性射频(RF)Paul阱(也称为RF阱、表面阱或简称Paul阱)，其附近的电极保持静态和动态电势，导致离子的有效非均匀谐波约束。RF Paul阱是一种使用电场将带电粒子俘获或约束在特定区域、位置或地点的阱。当原子离子在这种阱中被激光冷冻到非常低的温度时，该原子离子形成稳定的量子位晶体(例如，量子位的结构化排列)，库仑斥力平衡外部约束力。为了阱的足够的各向异性，离子可以沿着弱的约束方向形成线性晶体，并且这是量子信息和计量中的应用通常采用的排列。

图1A示出真空室100的局部视图，真空室100容纳电极，用于使用线性RF Paul阱在线性晶体110中俘获原子离子。在图1A中所示的示例中，量子系统中的真空室包括用于俘获20个原子镱离子(例如，¹⁷¹Yb⁺离子)的电极，这些离子被约束在线性晶体110中并且被激光冷冻到几乎静止。虽然在该示例中示出20个原子离子，但是所俘获的原子离子的数目可以是可配置的，且可以俘获多于或少于20个原子离子。用调整到使¹⁷¹Yb⁺谐振的激光辐射照射该原子，并将该原子离子的荧光成像到照相机上。在该示例中，原子离子彼此间隔开约5微米(μm)的距离115，由荧光示出。原子离子的分离由外部约束力和库仑斥力之间的平衡决定。

各个受俘原子离子的强荧光依赖于光子的有效循环，因此该离子的原子结构必须具有强的封闭光学跃迁，其允许运动的激光冷冻、量子位状态初始化和有效的量子位读出。这可以排除许多原子离子种类，除了具有单个外层电子的简单原子离子之外，例如碱土金属(Be⁺、Mg⁺、Ca⁺、Sr⁺、Ba⁺)和特定的过渡金属(Zn⁺、Hg⁺、Cd⁺和Yb⁺)。在这些原子离子中，量子位可以由两个稳定的电子能级来表示，通常由具有两个态|↑>和|↓>或者等效的|1>和|0>的有效自旋来表征。图1B和图1C分别示出原子离子¹⁷¹Yb⁺的简化能级图120和150，其中量子位能级|↑>和|↓>130由电子基态中的稳定的超精细能级表示，并且间隔为频率ω₀/2π＝12.642812GHz。¹⁷¹Yb⁺中的电子激发态|e>和|e′>140自身通过较小的超精细耦合而分裂，并且以具有与369.53nm的光波长相对应的能量的光学间隔与基态分离。

在这些光学跃迁中调整到略低于谐振的激光辐射允许多普勒激光冷冻将原子离子约束在阱的底部附近。其他更复杂形式的激光冷冻可以使原子离子在阱中几乎静止。

当与

和

跃迁谐振的双色激光束(例如，通过由光学调制导致的边带产生的具有两个色调的束)施加到该原子时，它迅速地进入到状态|↓>，并且不再与光场相互作用，这允许以基本上100％的保真度将量子位初始化(例如，参见图1B)。

当施加与

跃迁谐振的单个激光束时，封闭的循环光学跃迁使处于|↑>态的离子强烈地发出荧光，而处于|↓>态的离子由于激光频率远离其谐振而保持黑暗(例如，参见图1C)。即使收集到该荧光的一小部分也允许以接近完美的效率或精度检测原子量子位状态。其它原子种类可以具有类似的初始化/检测方案。

在图1B和图1C中，所有允许的从电子激发状态|e〉和|e′〉140的跃迁都被示出为向下的波形箭头。另一方面，所施加的激光辐射(其被示出为向上的直箭头)驱动这些跃迁用于初始化到状态|↓〉，如图1B中所示，并且用于量子位状态(|↑〉＝荧光、|↓〉＝无荧光)的荧光检测，如图1C中所示。

对于量子位能级之间的相干跃迁，可以有单量子位旋转操作和纠缠多量子位操作。单量子位旋转操作也可称为单量子位操作或简称为量子位翻转(flipping)。

关于单量子位旋转操作，图1B和图1C中的量子位能级|↑〉和|↓〉130可以直接与外部控制场耦合，导致单量子位旋转操作。对于由E(t)＝E₀e^{ik·x-iωt-iψ}所描述的行波(谐振)场，其中k是波矢，ω是场频率，ψ是相位，对于谐振(ω＝ω₀)，结果是对位置x处的量子位的旋转操作(假设旋转波近似并且相位ψ在操作期间是恒定的)，如下面的等式(1)和(2)所示：

其中，θ＝Ωt并且φ＝k·x-ψ。这里，Ω＝μE₀/h是Rabi频率，其将场-量子位耦合参数化，假设具有力矩μ的有效偶极子跃迁。对于通过中间虚能级耦合的双场光学拉曼场A和B，有效Rabi频率与Ω_AΩ_B成比例，场的有效频率变为差ω_A-ω_B，波矢k由两个场之间的波矢差δk＝k_A-k_B给出，并且相位变为相位差δφ＝δk·x-(ψ_A-ψ_B)。实际上，两个拉曼场必须桥接量子位频率分裂ω₀。这可以利用离散调制元件或使用锁模频率梳(comb)激光器来实现。光学频率梳是具有一系列离散的、等间隔的频率线的光谱的激光源。可以通过多种机制产生梳化效应，包括连续波激光器的周期性调制(例如，对振幅和/或相位)、非线性介质中的四波混合，或者通过稳定由锁模激光器(例如，上述锁模频率梳状激光器)产生的脉冲序列。

对于以时间T分隔开的对量子位的两次相继旋转，累积的量子位相位为ψ+ωT。如果控制场是光域中的单场耦合，则这可能需要在扩展操作(例如，更长或更多相关操作)上控制光频率和相位。然而，对于量子位之间的两场光学拉曼耦合，累积的量子位相位是ψ_A-ψ_B+(ω_A-ω_B)T，需要控制频率差ω_A-ω_B和相位差ψ_A-ψ_B。当这些场源自相同的激光器并且遵循类似的路径时，通常利用由RF或微波场驱动的光调制器来产生频率和相位差，这比绝对光相位更容易控制。此外，通过使用同向传播的拉曼束(例如，在相同方向上传播的拉曼束)，对于¹⁷¹Yb⁺系统，在dx＝1μm位移上的有效相位仅为|δk|dx～ω₀dx/c＝2π(4.2×10^-5)弧度。给定该水平的相位噪声抑制，在下面描述的技术中通常使用两场耦合。

关于纠缠多量子位操作，许多受俘离子的运动是通过库仑相互作用耦合的，很像由弹簧连接的单摆阵列那样。实现晶体中原子离子之间纠缠量子逻辑门的自然方式是使用运动作为媒介，如图2A中所示，其示出说明拉曼束几何形状的示例的图示200，并且其中束的应用在量子位中产生运动。在图示200中，光束210和220指向具有原子离子量子位的线性晶格或晶体110。相同方向上的光束可被称为同向传播光束，相反方向上的光束可被称为非同向传播光束或对向传播光束。束210(同向传播)是聚焦的或单独寻址的束，而束220(其与束210对向传播)是非聚焦的全局束。如本文所使用的，术语光束、束、光场和场可以互换使用。

利用运动作为媒介，可以通过对原子离子施加依赖量子位状态的光学或微波偶极子力来实现。存在许多使用这种外部施加的依赖量子位状态的力来创建受控非门和其它相关多量子位纠缠操作的协议。举例来说，流行的

门操作(也称为MS、Ising或XX栅极操作)在两个受俘离子量子位之间操作，尽管相位依赖性在许多类似类别的门中是类似的。

图3A和图3B分别示出图示300和330，其示出根据本公开的各方面的具有同向传播和对向传播光束的束几何形状的示例。在图示300中，同向传播光束210a和210b(类似于图2A中的同向传播束210)都以原子离子320a(例如，晶体110中的原子离子)为目标并且在相同或相似的方向上传播。在图示330中，同向传播光束210c和对向传播(或非同向传播)光束220a(类似于图2A中的对向传播束220)都以原子离子320b为目标并且在相反或基本相反的方向上传播。

返回到图2A，图示200示出用于所示的所选离子之间的二量子位门的示例的拉曼束几何形状。对向传播束(沿相反方向传播的一对束210和束220)在两个受俘离子上重叠，并且耦合到共同运动模式的拉曼跃迁允许纠缠操作。对于单量子位旋转，各个离子被寻址，并且对于对向传播的几何形状其可能不是必需的。

考虑通过以频率ω_m进行单一模式的收集离子运动的耦合。通常，

门操作需要具有波矢k_A和k_B的两个非同向传播或对向传播方向的激光束(A和B)，它们一起驱动上边带跃迁和下边带跃迁。沿方向A的束具有光学相位为ψ_B的单一频率分量ω_A，并且沿方向B的束具有光学相位为ψ_B的两个频率

使得所产生的在A和B之间的两个拍频(beatnote)接近上(+)和下(-)边带跃迁。关于束A的频率，有两种光谱组态在束B上产生这些双色拍频，如以下等式(3)和(4)所示：

“相位敏感”(3)

“相位不敏感”(4)

即，束B上的双色拍频的一种可能组态是相位敏感的(等式(3))，另一种可能组态是相位不敏感的(等式(4))。

如所书写的，等式(3)和(4)假定

对于

在等式(3)和(4)的右侧加上一个负号。

一个重要的方面是，相位不敏感组态具有相反符号的上边带和下边带拍频(ω₀＞＞ω_m±δ)，因此，涉及这两个拍频的从相互作用积累的光学相位将消去。在下面的等式(5)中示出了在XX门下的二量子位演化：

|11〉→|11〉-i|00〉

|01〉→|01〉-i|10〉

其中，对于相位敏感情况，XX门的有效相位是χ＝(ψ_A-ψ_B)，而对于相位不敏感的情况是χ＝0。

考虑到以上描述，并且由于量子位相位的同步、稳定性和控制对于扩展量子操作的性能是关键的，因此本公开提供可用于受俘离子量子位的相位控制的各种技术。因此，下面描述用于以允许用于扩展量子操作的量子位操作的相位控制的方式操纵光场(例如，激光束)的各种技术，其中光学相位的漂移可导致去相干。驱动量子位中的跃迁所需的拉曼束偏振取决于量子位能级的原子结构及其与激发态的耦合。作为示例，本公开考虑能级图230中示出的¹⁷¹Yb⁺系统，其中相干受激拉曼跃迁耦合两个量子位状态，这两个量子位状态被标记为|0>和|1>并且相隔频率为ω_q，由355nm的两个拉曼束的偏振为σ₊/σ₊或σ_-/σ_-的激光场驱动(例如，任何拉曼过程都由偏振σ₊或σ_-的两个束驱动)。然而，应当理解，也可以结合本文描述的特征使用除了¹⁷¹Yb⁺系统之外的具有可能不同的能级和跃迁选择规则的系统。

如上所述，重要的是控制(例如，由激光器或其他光源产生的)光场或光束的取向的方式，包括例如控制它们的几何形状、偏振和/或频率。

一个方面是光束的频率可以用上述两种不同的方式调整。一种方法是对光学相位敏感(“相位敏感”组态)，而另一种方法是对光学相位不敏感(“相位不敏感”组态)。因为光学相位在小距离上变化，如果存在任何噪声并且系统对相位敏感，则这可能在操作期间引起问题。无论相位的瞬时值是什么，它都被写入、赋予或影响量子系统，并且随着增加更多的操作(例如，扩展的量子操作)，相位可能变化并且引入噪声。然而，可能存在可用于消除此类噪声的技术。

以前的工作重点是基于相位敏感组态的系统。然而，如果这些系统仅实现短操作，则有可能给予这种相位并通过非常快的干涉仪立即解决它(例如，消除它)，因为有可能使用相同的激光器(例如，光源)来实现这两者。瞬时光学相位通常在长时间段内波动，但其在短实验或简单操作期间不变化。过去大多数实验或操作是短的，并且如上所述容易实现和处理相位敏感组态。例如，短的或快的实验或操作(例如校准)可以基于相位敏感组态，因为其可以容易地控制。因此，不需要实现相位不敏感组态。另一方面，当前的工作可能需要扩展的量子操作，并且可能需要实现相位不敏感组态。也就是说，在长的或扩展的量子计算中，可能不希望将相位写入或影响到系统，因为其可能随时间漂移并限制整个系统的精度。

以上描述的并且与本公开相关的另一方面例如是如图2A、图2B、图3A和图3B中所示的场或束的几何形状。如结合这些附图所示，图2B中的图示230示出了量子位能级在能量上是分离的，并且可能存在不同的方法来实现量子位能级中的跃迁。一种方法是为了改变量子位能级，通过大量的能量改变原子状态，并且通过直接光学跃迁驱动该改变。这种方法的问题是对光学相位敏感。用于实现跃迁的激光或光辐射最终将光学相位写入到系统中。

可以结合本文描述的用于量子操作中的相位控制的原子量子位的光学控制的各种技术使用的一种不同方法是使用微波而不是光学跃迁。例如，在上述系统的示例中，可以有三(3)个能级，并且对于底部能级处的量子位，可以执行首先能量上升然后能量下降的双光子(拉曼)跃迁(例如，参见图1B)。用于跃迁的两个激光束之间的频率差是相关相位。由于频率的差异，相位是微波相位而不是光学相位。此外，由于通常使用调制器从相同的激光器或光源获得两个光束，因此微波相位容易控制并且其波长大，因此可以较少地关注漂移。

就像在经典逻辑中那样，存在单个位操作和多个位操作，如上所述的使用两个光束可以用于执行单量子位操作(例如，旋转或量子位翻转)，但是不能执行多量子位操作(例如，扩展量子计算)。单个位操作简单地改变量子位状态，并且可以用微波束而不是光束来这样做；然而，因为激光被用于产生撞击各个量子位的束并且至少一些束需要被聚焦，所以使用光束可能更容易，因为它们比微波束更容易聚焦。因此，可以将拉曼或双光子过程与作为同向传播光束的两个光束一起使用，以执行量子位旋转或翻转(例如，单量子位操作)。如果改为使用对向传播光束，则不仅可以翻转量子位，而且可以在量子位上施加反冲(kick)(例如，运动耦合)。

对于多量子位操作，为了使量子位(例如，原子离子)纠缠，需要力(例如，运动耦合)，并且在这种情况下可以使用对向传播光束，因为在相同方向上具有发射和吸收(例如，同向传播光束)将不会产生多量子位操作所需的力。

考虑到到上述内容，本公开提出使用相位不敏感组态以不仅允许长距离上的操作(例如，扩展量子计算)，而且允许通过使用同向传播束来实现对运动不敏感的单量子位操作(例如，避免消相干)以及通过使用对向传播束来实现多量子位操作。因此，本公开提供的技术至少考虑了要使用相位敏感组态还是相位不敏感组态、要执行单量子位还是多量子位操作、以及操作要耦合运动(例如，运动敏感)还是不耦合运动(例如，运动不敏感)。

与相位控制相关的一个特征是，仅从两个非同向传播或对向传播的拉曼束中的一个来单独寻址(例如，单独聚焦)受俘原子离子可能就足够了(例如，参见图2A、图3B)。也就是说，使其中一个光束聚焦而另一个不聚焦可能就足够了。自然几何形状是具有与用于N个受俘离子量子位的N个单独寻址束(例如，束210)相对传播的单个全局束(例如，束220)。在一个示例中，如果全局束被关闭，则仍然可以通过将这些单独束设置为相位不敏感来翻转量子位。从两个拉曼束方向单独寻址(或聚焦)也是可能的，并且可以在束的频率控制上提供更大的灵活性。然而，该选项可能增加控制操作的复杂性。

与相位控制相关的另一个特征是，所有拉曼束路径应尽可能相同(例如，类似的路径)，以便受益于对源自光学部件(例如，光学控制操作中的光学部件)的位置不稳定性的噪声源的共模抑制。也就是说，因为正在使用两个光束，所以具有相同的路径以消除共同的噪声源是有帮助的。单个位旋转操作将是同向传播的，并且由于所需的束之间频率偏移而与束指向或位置的相关性将被最小化。

与相位控制相关的另一个特征是拉曼跃迁的相位不敏感组态将用于相位稳定性。对于同向传播旋转操作，系统需要相位不敏感的几何结构或组态以不具有纠缠(例如，多量子位)与旋转(例如，单量子位)操作之间的光学相位的存储器。即，如上所述，相位不敏感组态对于执行长操作以及具有用于单量子位操作的同向传播束和用于多量子位操作的对向传播束都是有用的。

与相位控制相关的另一个特征是束的单独寻址可以使得使用各种技术来独立调制每个束，并且对于相位不敏感的拉曼XX门，这可能需要在每个单独寻址的束上使用双色RF驱动器。即，单独寻址束可以具有多个色调。将单个量子位旋转与也施加力(例如，运动敏感)的单个量子位旋转区分开的是能量守恒。如果目标是简单地翻转量子位，那么束之间的拍频需要匹配量子位能量。另外，如果目标是增加或减少运动，则频率需要改变一点。因为产生束的激光被调制，所以产生了可用于驱动力的边带(例如，双色)。如所描述，此效应可应用于单独寻址束，因为其允许相位不敏感组态，但也可应用于全局束。

与相位控制相关的另一个特征是，拉曼跃迁的不平衡的σ₊/σ₊与σ_-/σ_-路径伴随着相对较大的AC Stark偏移，因此任何拉曼过程的最佳偏振都是使用双色激光器，其中它的两个频率分量是线性偏振的，偏振方向彼此正交(例如，lin⊥lin)，并且两个偏振方向都垂直于量化磁场。然而，由于跃迁选择规则，同向传播旋转操作可能不与沿着任何方向的单个线性极化一起工作。因此，旋转束可能需要具有螺度(helicity)分量(例如，σ₊与σ_-的不平衡)，其被优化以允许旋转，同时不给予过大的AC Stark偏移。也就是说，偏振可以用于消除AC Stark偏移，AC Stark偏移是当不是在两个量子位能级之间上升和下降时作为激光相互作用的结果出现的，而激光相互作用引起相同的量子位能级上升和下降。所使用的偏振可以是静态的或动态的。

当拉曼束由单个光学频率梳产生时，需要使用直接反馈到激光器的直接锁定技术来保持梳齿之间的相位稳定性。前馈技术不是优选的，因为这些技术可能需要光束路径中更复杂的RF调制。

现在参照图4，示出了根据本公开的各方面的示例计算机设备400。例如，计算机设备400可以表示单个计算设备、多个计算设备或分布式计算系统。计算机设备400可以被配置为量子计算机(例如，量子信息处理(QIP)系统)、经典计算机或者量子和经典计算功能的组合。例如，计算机设备400可用于使用基于受俘离子技术的量子算法来处理信息，并且因此可实现通过施加到量子逻辑门的控制场并且与量子位之间的广义相互作用相结合来相干地控制介导的原子量子位上的量子相位的方法。在图6A和图6B中所示的示例中示出了作为可实施本文所描述的各种相位控制的QIP系统的计算机设备400的一般示例。

在一个示例中，计算机设备400可以包括用于执行与本文描述的一个或多个特征相关联的处理功能的处理器410。处理器410可以包括一组或多组处理器或多核处理器。此外，处理器410可以被实现为集成处理系统和/或分布式处理系统。处理器410可包括中央处理单元(CPU)、量子处理单元(QPU)、图形处理单元(GPU)或这些类型的处理器的组合。在一个方面中，处理器410可指代计算机设备400的通用处理器，其还可包括额外处理器410以执行例如用于相位控制的功能等更特殊的功能。

在一个示例中，计算机设备400可以包括存储器420，存储器420用于存储可由处理器410执行的用于实现本文描述的功能的指令。在一种实施方式中，例如，存储器420可对应于存储代码或指令以执行本文描述的功能或操作中的一个或多个的计算机可读存储介质。在一个示例中，存储器420可包括用以执行下文结合图5描述的方法500的各方面的指令。如同处理器410那样，存储器420可指代计算机设备400的一般存储器，其还可包括额外存储器420以存储用于例如用于相位控制的指令和/或数据等更特殊的功能的指令和/或数据。

此外，计算机设备400可包括通信组件430，通信组件430利用如本文所述的硬件、软件和服务来建立和维护与一方或多方的通信。通信组件430可携载计算机设备400上的组件之间以及计算机设备400与外部设备(例如，位于通信网络上的设备及/或串联或本地连接到计算机设备400的设备)之间的通信。例如，通信组件430可包括一个或多个总线，并且可以进一步包括分别与发射器及接收器相关联的发射链组件及接收链组件，其可操作以用于与外部设备接合。

另外，计算机设备400可以包括数据存储440，其可以是硬件和/或软件的任何适当组合，其提供结合本文描述的实施方式采用的信息、数据库和程序的大容量存储。例如，数据存储440可以是用于操作系统460(例如，经典OS或量子OS)的数据储存库。在一个实施方式中，数据存储440可以包括存储器420。

计算机设备400还可包括用户接口组件450，用户接口组件450可操作以从计算机设备400的用户接收输入，并且还可操作以生成用于呈现给用户或提供给不同系统(直接或间接)的输出。用户接口组件450可以包括一个或多个输入设备，包括但不限于键盘、数字键盘、鼠标、触敏显示器、数字化仪、导航键、功能键、麦克风、语音识别组件、能够从用户接收输入的任何其他机制、或其任意组合。此外，用户接口组件450可以包括一个或多个输出设备，包括但不限于显示器、扬声器、触觉反馈机制、打印机、能够向用户呈现输出的任何其他机制、或其任何组合。

在一种实施方式中，用户接口组件450可以发送和/或接收与操作系统460的操作相对应的消息。另外，处理器410可以执行操作系统460和/或应用程序或程序，并且存储器420或数据存储440可以存储它们。

当计算机设备400被实现为基于云的基础设施解决方案的一部分时，用户接口组件450可以用于允许基于云的基础设施解决方案的用户与计算机设备400远程交互。

图5是示出根据本公开的各方面的用于原子量子位的光学控制的方法500的示例的流程图。在一个方面，方法500可在例如上文所描述的计算机系统400等计算机系统中执行，其中，例如处理器410、存储器420、数据存储440和/或操作系统460可用于执行方法500的功能。类似地，方法500的功能可由QIP系统的一个或多个组件，如QIP系统605及其组件(例如，光学控制器620及其子组件)来执行。

在510，方法500包括识别量子位操作。例如，可以确定所考虑的量子位操作是单量子位操作还是多量子位操作。

在520，方法500包括控制施加到原子量子位中的至少一个的光束中的场以用于量子位操作的相位控制，其中光束被配置为相位不敏感组态，并且其中当量子位操作是多量子位操作时，光束包括对向传播光束。

在方法500的一个方面，当量子位操作是单量子位操作并且将是运动不敏感时，光束包括同向传播光束。

在方法500的一个方面，当量子位操作是单量子位操作并且将是运动敏感时，光束包括对向传播光束。

在方法500的一个方面，原子量子位对应于由离子阱形成的晶体中的原子离子，并且方法500还可以包括将光束配置为包括两个对向传播的拉曼束，其中，控制施加到原子量子位中的至少一个的光束中的场包括通过将两个对向传播的拉曼束中的第一个聚焦于所述原子离子中的一个上而单独地寻址所述一个原子离子，并且其中，两个对向传播的拉曼束中的第二个为全局束。在一个方面，方法500包括双色驱动两个对向传播的拉曼束中的第一个，通过对该光束进行频率调制以产生边带来单独寻址所述一个原子离子。在一个方面，方法500包括将两个对向传播的拉曼束中的第一个的第一光路配置为与两个对向传播的拉曼束中的第二个的第二光路相同。

在方法500的另一方面，原子量子位对应于由离子阱形成的晶体中的原子离子，并且方法500还可以包括将光束配置为包括：用于晶体中的N个原子离子的多达N个单独寻址的拉曼束，每个单独寻址的拉曼束上具有多个光学频率；以及与所述多达N个单独寻址的拉曼束相对的单个全局对向传播拉曼束。在一个实施方式中，单独寻址的拉曼束的数目可为N₁并且原子离子的数目可为N₂，其中，N₁≤N₂。

在方法500的另一方面，原子量子位对应于由离子阱形成的晶体中的原子离子，并且方法500还可以包括将光束配置为包括两个对向传播的拉曼束，其中，控制施加到原子量子位中的至少一个的光束中的场包括通过将两个对向传播的拉曼束中的第一个聚焦于所述原子离子中的一个原子离子上并且将两个对向传播拉曼束中的第二个聚焦在所述一个原子离子上来单独寻址所述一个原子离子。

在方法500的另一方面，量子位操作是扩展量子计算中的多个量子位操作之一，并且在整个扩展量子计算中使用相位不敏感组态。

在方法500的另一方面，控制施加到原子量子位中的至少一个的光束中的场以用于量子位操作的相位控制包括控制光束的偏振以补偿原子量子位中的所述至少一个中的量子位能级的AC Stark偏移。用于补偿AC Stark偏移的光束的偏振被配置为平衡AC Stark偏移并且启用与执行量子操作相关联的不同类型的量子门。此外，光束的偏振是动态偏振、静态偏振或其组合。

在方法500的另一方面，方法500还包括将光束配置为拉曼束，其中所述配置包括从单个光学频率梳和/或通过调制光源或从锁相的多个相位相干源产生拉曼束，并且其中使用直接反馈到光源的锁定技术来维持单个光学频率梳的多个色调或齿之间的相位稳定性。

在方法500的又一方面，控制施加到原子量子位中的至少一个的光束中的场以用于量子位操作的相位控制包括额外控制光束的几何形状、光谱或偏振中的一个或多个。

在方法500的另一方面，量子位操作是旋转操作，并且光束包括具有螺度的同向传播光束，所述螺度被配置为允许旋转操作同时还消除AC Stark偏移的至少一部分。在一个示例中，螺旋度包括σ₊偏振与σ_-偏振之间的不平衡。

图6A是示出根据本公开的各方面的QIP系统605的示例的框图600。QIP系统605也可被称为量子计算系统、计算机设备等。在一个方面，QIP系统605可对应于图4中的计算设备400的量子计算机实施方式的多个部分。

QIP系统605可以包括源660，源660向具有离子阱670的室650提供原子种类(例如，中性原子通量)，离子阱670俘获被光学控制器620电离(例如，光电离)的原子种类(例如，参见图6B)。室650可以是图1A中的真空室100的示例。光学控制器620中的光源630可以包括一个或多个激光源，所述激光源可以用于原子种类的电离、原子离子的控制(例如，相位控制)、原子离子的荧光，所述原子离子的荧光可以由在光学控制器620中的成像系统640中运行的图像处理算法监测和跟踪，和/或执行本公开中描述的光学控制功能。在一个方面，光源530可与光学控制器620分开实施。

成像系统640可以包括高分辨率成像器(例如，CCD相机)，用于在原子离子正被提供给离子阱时或在原子离子已被提供给离子阱670之后监测原子离子。在一个方面，成像系统640可与光学控制器620分开实施，然而，使用荧光以通过使用图像处理算法来检测、识别和标记原子离子可能需要与光学控制器620配合。

QIP系统605还可以包括算法组件610，其可以与QIP系统605的其他部分(未示出)一起操作以执行量子算法或量子操作，包括单量子位操作或多量子位操作以及扩展量子计算。因此，算法组件610可向QIP系统605的各种组件(例如，向光学控制器620)提供指令以能够实现量子算法或量子操作，并因此实现本文描述的各种相位控制技术。

图6B示出光学控制器620的至少一部分。在该示例中，光学控制器620可以包括束控制器621、光源630和成像系统640。如虚线所示，光源630和成像系统640之一或二者可以被实施为与光学控制器620分离但与之通信。成像系统640包括CCD 641(或类似的成像器或相机)和图像处理算法组件642。光源630包括调制器625和多个激光源635a、...、635b，其可用于上述功能中的一个或多个(例如，电离、荧光、相位控制)。

束控制器621被配置为执行本文所述的各个方面，用于通过施加到量子逻辑门的控制场并且/或者与量子位之间的广义相互作用相结合来相干地控制介导的原子量子位上的量子相位。例如，光束控制器621可包括量子位操作组件622，其被配置为识别或确定是否将执行单量子位操作和/或多量子位操作，并且相应地配置操作。光束控制器621还可以包括几何组件623，其被配置为确定和启用如本文所述的不同几何组态。光束控制器621还可包括频率组件624，其被配置为确定并启用如本文中所描述的不同频率。光束控制器621还可包括偏振组件625，其被配置为确定并实现如本文中所描述的不同偏振。束控制器621还可包括相位组件626，其被配置为确定并启用如本文中所描述的不同相位操作。束控制器621的各种组件可单独或组合地操作以执行本公开中所描述的各种功能，例如，图5中的方法500。此外，束控制器621(及其一个或多个子组件)可被配置为使得相位不敏感组态能够执行长操作，并且具有用于单量子位操作的同向传播光束和用于多量子位操作的对向传播光束。

虽然已经根据所示的实施方式提供了本公开，但是本领域普通技术人员将容易地认识到，可以存在实施例的变型，并且这些变型将在本公开的范围内。因此，在不脱离所附权利要求的范围的情况下，本领域普通技术人员可以进行许多修改。

Claims (26)

1.一种用于原子量子位的光学控制的方法，所述方法包括：

识别量子位操作；和

控制施加到所述原子量子位中的至少一个的光束中的场以用于所述量子位操作的相位控制，其中所述光束被配置为相位不敏感组态，并且其中当所述量子位操作是多量子位操作时，所述光束包括对向传播光束。

2.根据权利要求1所述的方法，其中当所述量子位操作是单量子位操作并且将是运动不敏感时，所述光束包括同向传播光束。

3.根据权利要求1所述的方法，其中当所述量子位操作是单量子位操作并且将是运动敏感时，所述光束包括对向传播光束。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述原子量子位对应于由离子阱形成的晶体中的原子离子。

5.根据权利要求4所述的方法，还包括将所述光束配置为包括：多达N个单独寻址的拉曼束，用于所述晶体中的N个原子离子，在所述单独寻址的拉曼束中的每个上具有多个光学频率；以及与所述多达N个单独寻址的拉曼束相对的单个全局对向传播拉曼束。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述量子位操作是扩展量子计算中的多个量子位操作之一，并且其中在整个所述扩展量子计算中使用所述相位不敏感组态。

7.根据权利要求1所述的方法，其中控制施加到所述原子量子位中的至少一个的光束中的场以用于所述量子位操作的相位控制包括控制所述光束的偏振以补偿所述原子量子位中的所述至少一个中的量子位能级的AC Stark偏移。

8.根据权利要求7所述的方法，其中用于补偿所述AC Stark偏移的所述光束的偏振被配置为平衡所述AC Stark偏移并且启用与执行所述量子操作相关联的不同类型的量子门。

9.根据权利要求8所述的方法，其中所述光束的所述偏振是动态偏振、静态偏振或其组合。

10.根据权利要求1所述的方法，还包括将所述光束配置为拉曼束，其中所述配置包括从单个光学频率梳和/或通过调制一光源或从锁相的多个相位相干源产生所述拉曼束，并且其中使用直接反馈到所述光源的锁定技术来维持所述单个光学频率梳的多个色调或齿之间的相位稳定性。

11.根据权利要求1所述的方法，其中控制施加到所述原子量子位中的至少一个的光束中的场以用于所述量子位操作的相位控制包括额外控制所述光束的几何形状、光谱或偏振中的一个或多个。

12.根据权利要求1所述的方法，其中所述量子位操作是旋转操作，并且所述光束包括具有螺度的同向传播光束，所述螺度被配置为允许所述旋转操作，同时还消除AC Stark偏移的至少一部分。

13.根据权利要求12所述的方法，其中所述螺度包括σ₊偏振与σ_-偏振之间的不平衡。

14.一种用于原子量子位的光学控制的量子信息处理QIP系统，所述QIP系统包括：

产生光束的一个或多个光源；和

光学控制器，其中所述光学控制器被配置为：

识别量子位操作；并且

控制施加到所述原子量子位中的至少一个的所述光束中的场以用于所述量子位操作的相位控制，其中所述光束被配置为相位不敏感组态，并且其中当所述量子位操作是多量子位操作时，所述光束包括对向传播光束。

15.根据权利要求14所述的QIP系统，其中当所述量子位操作是单量子位操作并且将是运动不敏感时，所述光束包括同向传播光束。

16.根据权利要求14所述的QIP系统，其中当所述量子位操作是单量子位操作并且将是运动敏感时，所述光束包括对向传播光束。

17.根据权利要求14所述的QIP系统，还包括离子阱，其中所述原子量子位对应于由所述离子阱形成的晶体中的原子离子。

18.根据权利要求14所述的QIP系统，其中所述光学控制器还被配置为将所述光束配置为包括：多达N个单独寻址的拉曼束，用于所述晶体中的N个原子离子，在所述单独寻址的拉曼束中的每个上具有多个光学频率；以及与所述多达N个单独寻址的拉曼束相对的单个全局对向传播拉曼束。

19.根据权利要求14所述的QIP系统，其中所述量子位操作是扩展量子计算中的多个量子位操作之一，并且其中在整个所述扩展量子计算中使用所述相位不敏感组态。

20.根据权利要求14所述的QIP系统，其中被配置为控制施加到所述原子量子位中的至少一个的所述光束中的场以用于所述量子位操作的相位控制的所述光学控制器还被配置为控制所述光束的偏振以补偿所述原子量子位中的所述至少一个中的量子位能级的ACStark偏移。

21.根据权利要求14所述的QIP系统，其中所述光学控制器还被配置为将所述光束配置为拉曼束，从单个光学频率梳和/或通过调制一光源或从锁相的多个相位相干源产生所述拉曼束，并且其中使用直接反馈到所述一光源的锁定技术来维持所述单个光学频率梳的多个色调或齿之间的相位稳定性。

22.根据权利要求14所述的QIP系统，其中控制施加到所述原子量子位中的至少一个的光束中的场以用于所述量子位操作的相位控制包括额外控制所述光束的几何形状、光谱或偏振中的一个或多个。

23.一种用于原子量子位的光学控制的量子信息处理QIP设备，所述QIP设备包括：

用于识别量子位操作的装置；和

用于控制施加到所述原子量子位中的至少一个的光束中的场以用于所述量子位操作的相位控制的装置，其中所述光束被配置为相位不敏感组态，并且其中当所述量子位操作是多量子位操作时，所述光束包括对向传播光束。

24.根据权利要求23所述的QIP设备，其中所述原子量子位对应于由离子阱形成的晶体中的原子离子。

25.根据权利要求23所述的QIP设备，其中：

当所述量子位操作是单量子位操作并且将是运动不敏感时，所述光束包括同向传播光束，或者

当所述量子位操作是单量子位操作并且将是运动敏感时，所述光束包括对向传播光束。

26.一种计算机可读介质，其存储具有可由处理器执行以用于原子量子位的光学控制的指令的代码，所述计算机可读介质包含：

用于识别量子位操作的代码，和

用于控制施加到所述原子量子位中的至少一个的光束中的场以用于所述量子位操作的相位控制的代码，其中所述光束被配置为相位不敏感组态，并且其中当所述量子位操作是多量子位操作时，所述光束包括对向传播光束。

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