CN112735626A - 一种离子囚禁装置及离子囚禁方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种离子囚禁装置及离子囚禁方法。离子囚禁装置包括原子产生模块、原子囚禁模块、光阱激光模块和离子囚禁模块。原子产生模块用于产生原子束流，并将原子束流喷向原子囚禁模块。原子囚禁模块用于对接收到的原子束流进行囚禁，得到原子团。光阱激光模块用于向原子囚禁模块传输第一光阱激光，将原子团装载于第一光阱激光中，并通过第一光阱激光将原子团转移至离子囚禁模块。离子囚禁模块用于囚禁离子，离子是对来自光阱激光模块的原子团进行电离后得到的。通过第一光阱激光将原子团从原子囚禁模块转移至离子囚禁模块，有助于避免了因原子束流直接喷向离子囚禁模块，造成对离子囚禁模块中已囚禁的离子的碰撞。

Description

一种离子囚禁装置及离子囚禁方法

技术领域

本申请涉及量子计算技术领域，尤其涉及一种离子囚禁装置及离子囚禁方法。

背景技术

随着信息技术的发展，量子计算越来越受关注。量子计算的特殊之处在于，量子态的叠加特性使得大规模“并行”计算成为可能。这是因为量子计算的基本原理是利用量子比特(即离子)对信息进行编码，其中，单个量子比特的状态不仅有0和1两种经典态，还可以有0和1的叠加态，n个量子比特可以同时处于2ⁿ个量子态的叠加状态。各量子算法就是在不同数量的量子比特上进行不同的量子操作，量子比特数目越多，其并行加速能力就越强，对于相同问题其求解的速率就越快。

目前，量子比特的构建有多种物理体系可实现。例如，离子阱、超导电路、氮空穴色心(nitrogen-vacancy center，NV)、半导体量子点、拓扑量子计算等。其中，离子阱因其具有相对长的比特相干时间、较好的保真度和潜在的可扩展性等优点，具有非常大的发展潜力。现有技术中，离子阱系统中包括囚禁离子的装置(或称为离子囚禁装置)，后续激光调控装置对离子进行定位和操控，收集荧光信息，进行数据分析，以完成离子阱的量子计算过程。

现有技术中，将离子囚禁时，需要先加热原子源，以提供大量的原子束流，再将原子束流直接喷向离子芯片附近的离子囚禁区域，如图1所示，由于离子芯片暴露在原子束中，大量的原子束也会对已囚禁的离子产生碰撞，导致离子从势阱中丢失，造成量子计算过程中断。

发明内容

本申请提供一种离子囚禁装置及离子囚禁方法，用于尽可能避免原子对已囚禁的离子的碰撞。

第一方面，本申请提供一种离子囚禁装置，该离子囚禁装置包括原子产生模块、原子囚禁模块、光阱激光模块和离子囚禁模块。原子产生模块用于产生原子束流，并将原子束流喷向原子囚禁模块。原子囚禁模块用于对接收到的原子束流进行囚禁，得到原子团。光阱激光模块用于向原子囚禁模块传输第一光阱激光，将原子团装载于第一光阱激光中，并通过第一光阱激光将原子团转移至离子囚禁模块。离子囚禁模块用于囚禁离子，离子是对来自光阱激光模块的原子团进行电离后得到的。

基于该方案，通过第一光阱激光将原子团从原子囚禁模块转移至离子囚禁模块，有助于避免了因原子束流直接喷向离子囚禁模块，造成对离子囚禁模块中已囚禁的离子的碰撞。而且，可有助于减少原子在离子囚禁模块中的沉积问题。进一步，通过第一光阱激光转移原子团，可实现原子的定点电离、有高度可操控性。也就是说，需要将原子转移到哪里，即可通过操控第一光阱激光将原子转移至对应的位置。

在一种可能的实现方式中，原子团的温度小于预设温度，预设温度与第一光阱激光的势阱深度相关。

在一种可能的实现方式中，光阱激光模块可用于将第一光阱激光的束腰对准原子囚禁模块中的第一区域，并将原子团装载于第一光阱激光的束腰中，将第一光阱激光的束腰的从原子囚禁模块中的第一区域转移至离子囚禁模块，第一区域用于囚禁原子团，第一光阱激光的束腰的势阱深度大于原子团的动能。由于第一光阱激束腰处的光强度较大，通过将第一光阱激光的束腰对准原子团，有助于提高第一光阱激光装载原子团的效率。

本申请中，离子囚禁模块可包括离子囚禁区域。在一种可能的实现方式中，光阱激光模块可用于通过改变第一光阱激光的传输方向，将原子团移动至离子囚禁区域。在另一种可能的实现方式中，光阱激光模块还可用于向离子囚禁模块传输第二光阱激光，将原子团装载于第一光阱激光的束腰和第二光阱激光的束腰所交叉的区域，并通过改变第一光阱激光和第二光阱激光的传输方向，将原子团移动至离子囚禁区域，其中，第二光阱激光的束腰与第一光阱激光的束腰交叉。

本申请中，原子产生模块、原子囚禁模块和离子囚禁模块可设置于不同的真空腔内，也可以设置于同一真空腔内，如下分情形详细说明。

情形1，原子产生模块与原子囚禁模块可设置于第一真空腔内，离子囚禁模块可设置于第二真空腔内，第一真空腔与第二真空腔通过差分管连通。

基于该情形1，差分管可为空心圆管，差分管的直径大于第一光阱激光的束腰的边缘的直径。

基于该情形1，在一种可能的实现方式中，离子囚禁模块包括离子芯片，离子芯片与差分管的轴线之间的距离在第一预设范围内。也就是说，离子芯片的安装位置与原子束流的路径之间有一定的距离。通过设置离子芯片与差分管的轴线偏离一段距离，可使得原子束流不直接喷向离子芯片，从而有助于避免原子和/或离子沉积在离子芯片上。

情形2，原子产生模块、原子囚禁模块和离子囚禁模块可均设置于第三真空腔内。

基于该情形2，原子囚禁模块中的第一区域与离子囚禁模块中的离子芯片之间的距离满足第二预设范围内。

本申请中，离子芯片还可包括电极，电极设置于离子芯片沿重力方向的一侧。如此，原子和/或离子后的离子，在重力的作用下，不容易沉积在离子芯片上，可进一步降低原子和/或离子沉积在离子芯片上的概率。

在一种可能的实现方式中，原子囚禁模块可包括三维磁光阱，三维磁光阱可用于对接收到的原子束流进行囚禁，得到原子团。

进一步可选地，原子囚禁模块还可包括蒸发冷却单元，蒸发冷却单元可用于对原子团进行蒸发冷却。示例性地，蒸发冷却单元可为纯磁阱或纯光阱。

进一步可选地，原子囚禁模块还可包括二维磁光阱，二维磁光阱可用于对接收到的原子束流进行冷却和汇聚，将冷却且汇聚后的原子束流喷向三维磁光阱。

在一种可能的实现方式中，光阱激光模块可包括第一反射振镜、第一透镜组、驱动装置。第一透镜组可用于对接收到的激光进行汇聚，得到第一光阱激光。驱动装置可用于在第一控制信号的控制下，平移第一透镜组和第一反射振镜，使第一光阱激光的束腰从原子囚禁模块中的第一区域转移至离子囚禁模块；或者，在第二控制信号的控制下，改变第一透镜组中透镜之间的距离，调整焦距，使第一光阱激光的束腰从原子囚禁模块中的第一区域转移至离子囚禁模块；其中，第一控制信号和第二控制信号可根据原子囚禁模块中的第一区域与离子囚禁模块之间的路径，生成第一控制信号或第二控制信号。

在一种可能的实现方式中，原子团转移至离子囚禁模块后，第一反射振镜还可用于根据第三控制信号，调整第一反射振镜的角度，改变第一光阱激光的传输方向，使原子团移动至离子囚禁区域，其中，第三控制信号可根据原子团从原子囚禁模块转移至离子囚禁模块所处的位置以及离子囚禁区域的位置生成的。

在另一种可能的实现方式中，光阱激光模块还包括第二反射振镜。原子团转移至离子囚禁模块后，第一反射振镜用于根据第三控制信号，调整第一反射振镜的角度，在维持第一光阱激光的束腰与第二光阱激光的束腰交叉的情况下，改变第一光阱激光的传输方向，使原子团移动至离子囚禁区域。第二反射振镜用于根据第四控制信号，调整第二反射振镜的角度，在维持第一光阱激光的束腰与第二光阱激光的束腰交叉的情况下，改变第二光阱激光的传输方向，使原子团移动至离子囚禁区域，其中，第三控制信号和第四控制信号可根据原子团从原子囚禁模块转移至离子囚禁模块所处的位置以及离子囚禁区域的位置生成的。

第二方面，本申请提供一种离子阱系统，该离子阱系统可包括激光调控装置以及上述离子囚禁装置，激光调控装置用于将接收到的操控激光传输至离子囚禁装置中对应的离子上，操控激光用于对离子囚禁装置中的离子进行量子操控。

第三方面，本申请提供一种离子囚禁方法，该方法可应用于离子囚禁装置，离子囚禁装置包括原子囚禁模块和离子囚禁模块。该离子囚禁方法可包括产生原子束流，对原子束流进行囚禁，得到原子团；接收第一光阱激光，将原子团装载于第一光阱激光中，通过第一光阱激光将原子团从原子囚禁模块转移至离子囚禁模块，对原子团进行电离，原子囚禁模块用于囚禁原子团，离子囚禁模块用于囚禁原子团电离后的离子。

基于该方案，通过第一光阱激光将原子团从原子囚禁模块转移至离子囚禁模块，有助于避免了因原子束流直接喷向离子囚禁模块，造成对离子囚禁模块中已囚禁的离子的碰撞。而且，可有助于减少原子在离子囚禁模块中的沉积问题。进一步，通过第一光阱激光转移原子团，可实现原子的定点电离、且有高度可操控性。也就是说，需要将原子转移到哪里，即可通过第一光阱激光将原子转移至需要的位置。

在一种可能的实现方式中，原子团的温度小于预设温度，预设温度与第一光阱激光的势阱深度相关。

在一种可能的实现方式中，可将第一光阱激光的束腰对准原子囚禁模块中的第一区域，并将原子团装载于第一光阱激光的束腰中，将第一光阱激光的束腰，从原子囚禁模块中的第一区域转移至离子囚禁模块，其中，第一区域用于囚禁原子团，第一光阱激光的束腰的势阱深度大于原子团的动能。

本申请中，离子囚禁模块包括离子囚禁区域。在一种可能的实现方式中，可通过改变第一光阱激光的传输方向，将原子团移动至离子囚禁区域。在另一种可能的实现方式中，可接收第二光阱激光，将第二光阱激光的束腰与第一光阱激光的束腰交叉，将原子团装载于第二光阱激光的束腰与第一光阱激光的束腰所交叉的区域，并通过改变第一光阱激光和第二光阱激光的传输方向，将原子团移动至离子囚禁区域。

为了进一步提高原子团的装载效率，可在原子团装载于第一光阱激光中之前对原子团进行再次冷却。

附图说明

图1为现有技术中的一种离子囚禁装置的结构示意图；

图2为本申请提供的一种离子囚禁装置的结构示意图；

图3a为本申请提供的一种原子囚禁模块的工作原理示意图；

图3b为本申请提供的一种原子囚禁模块的结构示意图；

图3c为本申请提供的另一种原子囚禁模块的结构示意图；

图4a为本申请提供的一种离子囚禁模块的结构示意图；

图4b为本申请提供的一种离子芯片的结构示意图；

图4c为本申请提供的一种离子芯片囚禁离子的原理示意图；

图4d为本申请提供的一种一维离子囚禁模块的结构示意图；

图4e为本申请提供的一种二维离子囚禁模块的结构示意图；

图5a为本申请提供的一种光阱激光的示意图；

图5b为本申请提供的一种光阱激光装载原子的原理示意图；

图5c为本申请提供的一种光阱激光模块的结构示意图；

图5d为本申请提供的一种光阱激光模块发射第一光阱激光的结构示意图；

图5e为本申请提供的一种光阱激光模块发射第一光阱激光和第二光阱激光的结构示意图；

图6为本申请提供的又一种离子囚禁装置的结构示意图；

图7a为本申请提供的一种光阱激光装置将原子团从原子冷却囚禁模块转移至离子囚禁模块中的离子囚禁区域的过程示意图；

图7b为本申请提供的一种光阱激光装置将原子团从原子冷却囚禁模块转移至离子囚禁模块中的离子囚禁区域的过程示意图；

图7c为本申请提供的一种光阱激光装置将原子团从原子冷却囚禁模块转移至离子囚禁模块中的离子囚禁区域的过程示意图；

图7d为本申请提供的一种光阱激光装置将原子团从原子冷却囚禁模块转移至离子囚禁模块中的离子囚禁区域的过程示意图；

图8为本申请提供的又一种离子囚禁装置的结构示意图；

图9a为本申请提供的一种光阱激光装置将原子团从原子冷却囚禁模块转移至离子囚禁模块中的离子囚禁区域的过程示意图；

图9b为本申请提供的另一种光阱激光装置将原子团从原子冷却囚禁模块转移至离子囚禁模块中的离子囚禁区域的过程示意图；

图9c为本申请提供的另一种光阱激光装置将原子团从原子冷却囚禁模块转移至离子囚禁模块中的离子囚禁区域的过程示意图；

图9d为本申请提供的另一种光阱激光装置将原子团从原子冷却囚禁模块转移至离子囚禁模块中的离子囚禁区域的过程示意图；

图9e为本申请提供的另一种光阱激光装置将原子团从原子冷却囚禁模块转移至离子囚禁模块中的离子囚禁区域的过程示意图；

图10a为本申请提供的另一种光阱激光装置将原子团从原子冷却囚禁模块转移至离子囚禁模块中的离子囚禁区域的过程示意图；

图10b为本申请提供的另一种光阱激光装置将原子团从原子冷却囚禁模块转移至离子囚禁模块中的离子囚禁区域的过程示意图；

图10c为本申请提供的另一种光阱激光装置将原子团从原子冷却囚禁模块转移至离子囚禁模块中的离子囚禁区域的过程示意图；

图11为本申请提供的另一种光阱激光装置将原子团从原子冷却囚禁模块转移至离子囚禁模块中的离子囚禁区域的过程示意图；

图12为本申请提供的一种离子阱的结构示意图；

图13为本申请提供的一种离子囚禁方法的方法流程示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请作进一步地详细描述。

如图2所示，为本申请提供的一种离子囚禁装置的结构示意图。该离子囚禁装置可包括原子产生模块、原子囚禁模块、光阱激光模块和离子囚禁模块。其中，原子产生模块用于产生原子束流，并将原子束流喷向原子囚禁模块。原子囚禁模块用于对接收到的原子束流进行囚禁，得到原子团。光阱激光模块用于向原子囚禁模块传输第一光阱激光，将原子团装载于第一光阱激光中，并通过第一光阱激光将原子团转移至离子囚禁模块。离子囚禁模块用于囚禁离子，离子是对来自光阱激光模块的原子团进行电离后得到的。

基于该离子囚禁装置，通过第一光阱激光将原子团从原子囚禁模块转移至离子囚禁模块，有助于避免了因原子束流直接喷向离子囚禁模块，造成对离子囚禁模块中已囚禁的离子的碰撞。而且，可有助于减少原子在离子囚禁模块中的沉积问题。进一步，通过第一光阱激光转移原子团，可实现原子的定点电离、且有高度可操控性。也就是说，需要将原子转移到哪里，即可通过操控第一光阱激光将原子转移至需要的位置。

需要说明的是，本申请中，原子团的温度小于预设温度，预设温度与第一光阱激光的势阱深度相关。第一光阱激光的频率需远小于原子团中原子能级差。例如，第一光阱激光可为1064纳米(nm)远红外激光，该远红外激光的频率与原子能级差数百个太赫兹量级，即该远红外激光的频率远小于原子能级差)。如此，当第一光阱激光照射原子时，原子感受的是光偶极力，而受到的色散力极小，不会使原子自发辐射产生荧光。

还需要说明的是，原子团要装载于第一光阱激光中需满足：原子团中原子的动能不大于第一光阱激光中照射到原子团位置的光阱激光的势阱深度U，其中，原子团中原子的动能为k_BT，k_B为玻尔兹曼常数，T为温度，由此可知，原子的动能与原子的温度相关，因此需要对原子束流进行冷却，冷却后的原子团的温度小于预设温度，该预设温度可以经验值或者典型值等，该预设温度需满足原子团可装载于第一光阱激光中。例如预设温度可为[10μK-100μK]量级中的任一个温度，对应的原子的速率为1m/s量级。另外，为了防止外界其它粒子对离子囚禁装置中所囚禁的离子产生碰撞，破坏了离子的量子态或者导致离子丢失，需要将离子囚禁装置中被囚禁的离子与外界环境隔离。在一种可能的实现方式中，可将上述原子产生模块、原子囚禁模块和离子囚禁模块设置于真空系统或者超高真空系统。

下面对图2所示的各个功能模块分别进行介绍说明，以给出示例性的实现方案。

一、原子产生模块

原子产生模块，也可称为原子源，经过电和/或者光加热升温原子，产生原子束流(或原子蒸汽)。用于产生原子束流的原子可为镱(Yb)、钙(Ca)或铍(Be)等适用于量子计算的元素。

二、原子囚禁模块

原子囚禁模块主要用于对来自原子产生模块的高速原子束流中的原子进行捕获并囚禁，得到温度低于预设温度的原子团。也就是说，来自原子产生模块的原子束流中原子的速率较高，囚禁较困难，原子囚禁模块对这些速率较高的原子束流进行囚禁(或称为捕获)，得到原子团。

在一种可能的实现方式中，原子囚禁模块可为三维磁光阱(3-dimensionmagneto-optical trap，3D-MOT)。3D-MOT可用于对接收到的原子束流(例如来自原子产生模块的原子束流)进行囚禁，得到原子团。在一种可能的实现方式中，第一区域用于囚禁原子团，可为原子囚禁模块的中心。如图3a所示，为本申请提供的一种原子囚禁模块的工作原理示意图。3D-MOT的工作原理是在由一对载有反向电流的亥姆霍兹线圈产生的梯度磁阱中，加上频率接近原子能级差的三对冷却激光(即一共6个冷却激光)，每两个一对，每一对的入射方向相对，三对冷却激光从三个正交方向(例如XYZ三个方向)对射，交叉点位于磁阱中心(图3a的原子团所处的位置)。原子束流中的原子不断吸收具有反向动量的光子，受到冷却激光的反向作用力，使原子持续减速，最终被冷却囚禁在磁阱中心，得到原子团。在该实施例中，当原子囚禁模块为3D-MOT时，第一区域即为磁阱中心。

原子冷却囚禁模块是为了得到高密度(如10¹¹/cm³)低温(如10-100μK量级)的原子团，再将得到的原子团装载于第一光阱激光中，为了进一步提高第一光阱激光装载原子团的效率，可提高原子团的相空间密度(相空间密度的提高是指原子团中原子密度增加且温度降低)，如下示例性地提供了三种可能的原子囚禁模块的结构。

结构一，原子囚禁模块包括3D-MOT和蒸发冷却单元。

如图3b所示，为本申请提供的一种原子囚禁模块的结构示意图。该原子囚禁模块可包括3D-MOT和蒸发冷却单元。3D-MOT可用于对来自原子产生模块的原子束流进行囚禁，得到原子团；蒸发冷却单元可用于对来自3D-MOT的原子团进行进一步的蒸发冷却。通过上述进一步的蒸发冷却，可使得原子团进一步降温，通常原子团的温度可由10μK量级降低至1μK量级，如此，可使得原子团的相空间密度也可增加两至三个数量级。甚至可将原子团的温度降低至原子团所处第一光阱激光的势阱深度的较低能级，例如可发生相变的能级，得到玻色-爱因斯坦凝聚体(nK温度量级)，从而有助于提高原子团装载于第一光阱激光的效率。而且，整个原子团的温度较低时，在后续转移到离子囚禁模块后，经电离得到离子后，较低温度的原子团也可对离子起到碰撞冷却的效果。

在一种可能的实现方式中，蒸发冷却单元可为纯磁阱或纯光阱。示例性地，若蒸发冷却单元为纯磁阱，来自原子产生模块的原子束流在3D-MOT的冷却激光和磁场的作用下，被囚禁，得到一定温度范围的原子团，再将原子团转移至纯磁阱中进行蒸发冷却，以实现对该原子团的进一步降温。其中，纯磁阱可指关闭冷却激光后，迅速提高亥姆霍兹线圈的磁场梯度，形成只需要磁场就能囚禁原子的结构。应理解，由于原子存在较多的能级，RF线圈可发射频率扫描变化的射频，持续地将磁场中囚禁态的原子激发为非囚禁态，又因为只有温度较高的原子才能大概率变成非囚禁态，因此，蒸发冷却的过程是不断剔除原子团中温相对高的原子，剩下的原子通过弹性碰撞，达到热平衡，再产生温度相对高的原子，再剔除，如此重复该过程，实现对原子团中原子进行冷却的效果。纯光阱是指一种由远红外激光形成的光阱囚禁原子的结构，囚禁原理与前述的1064nm光阱激光类似。其蒸发冷却过程是通过持续降低激光光强，达到使原子团降温的目的。

结构二，原子囚禁模块包括3D-MOT和2D-MOT。

如图3c所示，为本申请提供的另一种原子囚禁模块的结构示意图。该原子囚禁模块可包括2D-MOT和3D-MOT。2D-MOT用于对接收到的原子束流(例如来自原子产生模块的原子束流)进行冷却和汇聚，将冷却且汇聚后的原子束流喷向3D-MOT；3D-MOT用于将来自2D-MOT的冷却且汇聚后的原子束流进行再次冷却，得到原子团。由于原子的速率越高，原子囚禁模块越难囚禁原子。因此，可将来自原子产生模块的高速原子束流先喷向2D-MOT，采用2D-MOT预先降低原子束流的速率，形成低速原子束流，而且2D-MOT还可将原子束流从一个维度流向3D-MOT，即还可实现对原子束流的汇聚。如此，可使得3D-MOT更容易囚禁原子束流中的原子，从而可增加原子囚禁模块囚禁的原子数，即可提高原子团的相空间密度。而且，整个原子团的温度较低时，在后续转移到离子囚禁模块后，经电离得到离子后，较低温度的原子团也可对离子起到碰撞冷却的效果。

需要说明的是，2D-MOT相比于3D-MOT，少一个维度的冷却激光束缚，只在两个维度对原子束流进行冷却(图3c以在YZ两个维度为例)，原子从剩余的维度(Z)泄流出来，形成低速原子束流，其余可参见图3a的介绍，此处不再赘述。

结构三，原子囚禁模块包括2D-MOT、3D-MOT和蒸发冷却单元。

该结构三可以理解为是将上述结构一和结构二相结合，详细结构可参见上述结构一和结构二的介绍，此处不再一一赘述。

本申请中，原子冷却囚禁模块为了得到原子团，需要优化各种参数(例如3D-MOT所需要的冷却激光的功率、冷却激光的频率、冷却激光的偏振，磁场大小、冷却激光与磁场的时序等)。

三、离子囚禁模块

离子囚禁模块用于囚禁原子团中被电离后得到的离子，是实现量子计算的核心部件。如图4a所示，为本申请提供的一种离子囚禁模块的结构示意图。该离子囚禁模块可包括离子囚禁区域和离子芯片。其中，离子芯片可包括直流电源(direct current，DC)电极和射频(radio frequency，RF)电极。进一步，该离子芯片还可包括基底，具体可参阅图4b。其中，DC电极，RF电极可设置于该基底上。示例性地，该离子芯片可将电极用微加工、印刷电路等方式刻蚀在基底上，离子被囚禁在离子囚禁区域，可形成一维或二维的平面结构阱，在二维平面阱中，离子有更丰富的转移自由度以及更稳固的结构，更有利于离子阱的二维扩展。

在一种可能的实现方式中，电极可设置于离子芯片沿重力方向的一侧。也可以理解为，离子芯片中的电极采用“倒挂”的方式安装。如此，原子和/或离子后的离子，在重力的作用下，不容易沉积在离子芯片上，可进一步降低原子和/或离子沉积在离子芯片上的概率。

在一种可能的实现方式中，离子囚禁区域与离子芯片之间的距离L可在第三预设范围内。该第三预设范围可为100μm左右。

基于图4b所示的离子芯片，如图4c所示，为本申请提供的一种离子芯片囚禁离子的原理示意图。曲线表示某一时刻的电场线分布，经过半个射频周期的时间，电场线反向，离子在电场线快速往复变化的电势场中，平均效果是离子被势阱稳定的囚禁在离子芯片表面。在一种可能的实现方式中，离子囚禁模块还可包括产生特定的电磁场的控制电路，例如射频源和电压源，射频源用于控制RF电极，电压源用于控制DC电极。

基于图4c的原理，离子囚禁模块中囚禁的离子可以是一维排布的，如图4d所示(以囚禁五个离子为例)，囚禁的离子可形成一维离子链，一维离子链上的相邻两个离子之间的间隔可以相等，也可以不相等。或者，离子囚禁模块中囚禁的离子也可以是二维排布的，如图4e所示(以囚禁五个离子为例)，囚禁的离子也可形成三维排布，本申请对囚禁的离子的排布不做限定。

需要说明的是，上述离子囚禁模块中囚禁的离子的具体排布方式与所要执行的量子算法相关。

四、光阱激光模块

光阱激光模块可发射光阱激光，并能够控制光阱激光的传输方向，以实现光阱激光的束腰的位置和速度受控移动，从而实现将原子团装载进光阱激光，并将原子团从原子囚禁模块转移至离子囚禁模块，再移动至离子囚禁模块的离子囚禁区域。可以理解的是，在原子囚禁模块囚禁一定数目的原子后，开启光阱激光模块。

在一种可能的实现方式中，光阱激光模块可用于将第一光阱激光的束腰对准原子囚禁模块中的第一区域，并将原子团装载于第一光阱激光的束腰中。当原子囚禁模块为上述图3a所示的3D-MOT时，第一光阱激光的束腰正对3D-MOT中心，以实现第一光阱激光正对原子囚禁冷却装置中的原子团。

如下详细解释将原子团装载于第一光阱激光的原理。

第一光阱激光在束腰处汇聚，光斑面积最小，向两边逐渐发散。如图5a所示，为本申请提供的一种光阱激光的示意图。该光阱激光在轴向传输路径上的光强分布为：中心的光强最大(束腰处的颜色越深表示光强越大)，径向上光强成高斯线型分布。在第一光阱激光频率一定的情况下，原子在第一光阱激光中所处的位置的势阱深度与光强大小成正比，原子受力的大小与光强梯度成正比。当第一光阱激光照射到原子后，原子受到第一光阱激光的偶极力的作用，被吸引向光强最强的中心位置，实现将原子团装载于第一光阱激光中，也可以认为第一光阱激光为光镊。由于光阱激光的径向光强梯度大，束缚力大；轴向梯度小，束缚力小，所以第一光阱激光形成的势阱呈图5a所示的长条的“雪茄形”。

基于图5a所示的光阱激光，如图5b所示，为本申请提供的一种光阱激光装载原子的原理示意图。在第一光阱激光的径向上高斯光斑形成的势阱深度为U，原子动能为k_BT，通常势阱深度U为原子动能k_BT的数倍以上，该倍数可以是典型值，例如4。如此，可保证原子团高效的装载于第一光阱激光中。其中，k_B为玻尔兹曼常数，约化为1，势阱深度与温度单位一致，都是开尔文K，K是描述势阱束缚一定温度原子的能力。

如图5c所示，为本申请提供的一种光阱激光模块的结构示意图。该光阱激光模块可包括激光器、分束器、第一透镜组、第二透镜组、第一反射振镜、第二反射振镜和驱动装置。其中，第一透镜组对应第一反射振镜，第二透镜组对应第二反射振镜。其中，激光器、分束器、第二透镜组和第二反射振镜均为可选结构，当仅需第一光阱激光时，可将第二光阱激光的通路断开。

激光器可用于向分束器发射激光。需要说明的是，该激光器可以是光阱激光模块的一部分，也可以是外接的激光器，本申请对此不做限定。

分束器用于对来自激光器的激光进行分束。示例性地，分束器可以为偏振分束器。偏振分束器可由两个偏振分光棱镜(polarizing beam splitter，PBS)组成，两个PBS的斜面通过胶层相贴合。其中，PBS是通过在直角棱镜的斜面镀制多层膜结构，然后通过胶层合成一个立方体结构，利用光束以布鲁斯特角入射时P偏振光透射率为1而S偏振光透射率小于1的性质，在光束以布鲁斯特角多次通过多层膜结构以后，达到使的P偏振分量完全透过，而绝大部分S偏振分量反射(至少90％以上)的一个光学元件。

第一透镜组用于对接收到的激光进行汇聚，得到第一光阱激光。第二透镜组用于对接收到的激光进行汇聚，得到第二光阱激光。应理解，图5a中是为了便于方案的说明，均以一个透镜为例说明的，在实际中可以是多个透镜的组合。

驱动装置可用于根据第一控制信号，平移(例如整体平移)第一透镜组和第一反射振镜，使第一光阱激光的束腰从原子囚禁模块中的第一区域转移至离子囚禁模块。其中，驱动装置可以是马达、伺服电机等驱动设备。进一步，可选地，第一控制信号可以根据原子囚禁模块中的第一区域与离子囚禁模块之间的路径、第一透镜的当前位置和第一反射振镜的当前位置确定的。或者，驱动装置可用于根据第二控制信号，改变第一透镜组中透镜之间的距离，调整焦距，使第一光阱激光的束腰从原子囚禁模块中的第一区域转移至离子囚禁模块。其中，第二控制信号可以根据原子囚禁模块中的第一区域与离子囚禁模块之间的路径、以及第一透镜组中透镜之间的当前位置关系确定的。

需要说明的是，反射振镜的角度分辨率可达15μrad，以半径为10cm为例，位移分辨率可达1.5μm。整个转动的过程中，需有效降低机械振动对原子加热的影响。另外，原子从原子囚禁模块中的第一区域转移至离子囚禁模块的转移速率需求以合适的速率转移，因此太快会导致原子加热丢失，太慢会导致工作周期变长以及由于3D-MOT腔真空度相对低，导致原子被碰撞丢失。

当将原子团转移至离子囚禁模块后，由于从原子囚禁模块中的第一区域转移至离子囚禁模块后，原子团与离子囚禁区域还有一定的距离，还需进一步将原子团转移至离子囚禁区域。如下示例性地的示出了两种可能的实现方式。

实现方式一，通过第一光阱激光将原子团移动至离子囚禁区域。

光阱激光模块还用于通过改变第一光阱激光的传输方向，将原子团移动至离子囚禁区域。结合上述图5c所示的光阱激光模块，具体可以是：第一反射振镜用于根据第三控制信号，调整第一反射振镜的角度，改变第一光阱激光的传输方向，使原子团移动至离子囚禁区域。其中，第三控制信号可以是根据原子团从原子囚禁模块转移至离子囚禁模块所处的位置以及离子囚禁区域的位置生成的。

实现方式二，通过第一光阱激光和第二光阱激光结合将原子团移动至离子囚禁区域。

在一种可能的实现方式中，该光阱激光模块还可用于向离子囚禁模块传输第二光阱激光，其中，第二光阱激光和第一光阱激光可以是分束器将一束激光一分为二得到的，即第一光阱激光与第二光阱激光可以为相同的光阱激光。光阱激光模块可用于将原子团装载于第一光阱激光的束腰和第二光阱激光的束腰所交叉的区域，并通过改变第一光阱激光和第二光阱激光的传输方向，将原子团移动至离子囚禁区域。

结合上述图5c的光阱激光模块，具体可以是：第一反射振镜用于根据第三控制信号，调整第一反射振镜的角度，在维持第一光阱激光的束腰与第二光阱激光的束腰交叉的情况下，改变第一光阱激光的传输方向，使原子团移动至离子囚禁区域。第二反射振镜用于根据第四控制信号，调整第二反射振镜的角度，在维持第一光阱激光的束腰与第二光阱激光的束腰交叉的情况下，改变第二光阱激光的传输方向，使原子团移动至离子囚禁区域。由于第一光阱激光与第二光阱激光交叉区域的势阱更深，第一光阱激光轴向束缚较小，径向束缚较大，第一光阱激光轴向被第二光阱激光的径向所束缚，这样“雪茄形”的原子团“收缩”至交叉点，可参见图5d和图5e。其中，第三控制信号可以是根据原子团从原子囚禁模块转移至离子囚禁模块所处的位置、离子囚禁区域的位置以及第一反射振镜当前的角度生成的；第四控制信号可以是根据原子团从原子囚禁模块转移至离子囚禁模块的所处的位置、离子囚禁区域的位置以及第二反射振镜当前的角度生成的。

需要说明的是，第一光阱激光的数量可以是一个也可以是多个，第二光阱激光的数量也可以是一个或多个，本申请对此不做限定。另外，上述图5c、图5d和图5e仅是示例性，是以将一个原子团从原子囚禁模块转移至离子囚禁模块中的离子囚禁区域为例说明的，本申请中，也可以同时将多个原子团从原子囚禁模块转移至离子囚禁模块中的离子囚禁区域，每个原子团的转移过程可与上述图5c、图5d和图5e中转移一个原子团的方式相同，具体可参见上述描述，此处不再赘述。另外，上述第一控制信号、第二控制信号、第三控制信号以及第四控制信号可以是离子囚禁装置中的处理器生成的，或者也可以是包括上述离子囚禁装置的离子阱系统中的处理器生成的，本申请对此不做限定。

本申请中，原子产生模块、原子囚禁模块和离子囚禁模块可设置于不同的真空腔内，也可以设置于同一真空腔内，下面结合具体的结构，给出上述离子囚禁装置的可能的实现方式，以便于进一步理解上述离子囚禁装置的实现过程。

示例一，第一真空腔和第二真空相结合，第一光阱激光和第二光阱激光相结合。

如图6所示，为本申请提供的又一种离子囚禁装置的结构示意图。在该离子囚禁装置中，原子产生模块和原子囚禁模块(以3D-MOT为例)设置于第一真空腔内(也可称为原子腔)，离子囚禁模块设置于第二真空腔内(也可称为离子腔)，第一真空腔与第二真空腔通过差分管(或者成为差分装置)连通。由于第一真空腔中需要加热原子产生模块中的原子，以产生一定的原子束流且对真空度的要求不高，因此，第一真空腔的真空度相对较低，通常为10^-7-10^-8Pa左右。第二真空腔用于囚禁离子，需要维持足够高的真空度(10^-9Pa以上甚至更高)来避免杂质原子与被囚禁的离子的碰撞。差分管可保证第一真空腔内和第二真空腔内约一到两个数量级的真空度差。而且，差分管也可对原子束流起到准直的作用，有助于避免原子束流从径向扩散到离子芯片上。需要说明的是，第二真空腔与差分管连通的位置也可以如图6所示，在图6位置的下方，即满足原子束流的路径不会对准离子芯片的位置均可，本申请对此不做限定。另外，在真空度约为10^-8Pa时，原子与离子的碰撞率为每分钟一次，在真空度约为10^-9Pa时，原子与离子的碰撞率约为一小时一次，甚至更低。

在一种可能的实现方式中，差分光通常为空心圆管，内直径约1-2毫米(mm)，长可为几个厘米。当第一光阱激光将原子团从原子囚禁模块的中的第一区域转移至离子囚禁模块时，为了避免第一光阱激光被差分管切光，差分管的直径需大于第一光阱激光的束腰发散边缘的直径D(参见图5a)。也就是说，第一光阱激光束腰和差分管的直径等参数要经过合理的设计。例如差分管直径为2mm，1064nm的第一光阱激光的束腰直径为100μm时，经过约15cm，发散至直径为D＝2mm，所以3D-MOT位置离差分管右端应保持在15cm内，如此，可以避免第一光阱激光的边缘被差分管切光。进一步，可选地，差分管的材质一般可为金属。

在一种可能的实现方式中，在第二真空腔中，离子芯片偏离差分管的轴线(图6虚线所示)的距离H在第一预设范围内。也就是说，离子芯片的安装位置与原子束流的路径之间有一定的距离。通过设置离子芯片与差分管的轴线偏离一段距离H，可使得原子束流不直接喷向离子芯片，从而有助于避免原子和/或离子沉积在离子芯片上。

需要说明的是，第一预设范围需要满足：通过差分管转移或者泄露过来的原子不直接与离子芯片接触，且在光阱激光装置转移第一光阱激光的可移动范围内，其中H可达cm量级。

结合上述图6所示的离子囚禁装置，如图7a至图7d，示例性示出了一种光阱激光装置将原子团从原子冷却囚禁模块转移至离子囚禁模块中的离子囚禁区域的过程。具体为：光阱激光模块用于将第一光阱激光的束腰对准原子囚禁模块的中的第一区域(即3D-MOT中心)，将原子团装载于第一光阱激光中(如图7a)。光阱激光模块通过将第一光阱激光的束腰从原子冷却囚禁模块转移至离子囚禁模块(如图7b所示)，之后向离子囚禁模块传输第二光阱激光，调节第二光阱激光的束腰，使第二光阱激光的束腰与第一光阱激光的束腰交叉(如图7c)，在维持第一光阱激光的束腰与第二光阱激光的束腰交叉的情况下，改变第一光阱激光的传输方向和第二光阱激光的传输方向，使原子团移动至离子囚禁区域(如图7d)。详细的介绍可参见上述描述，此处不再一一赘述。

示例二，第三真空腔，第一光阱激光和第二光阱激光相结合。

如图8所示，为本申请提供的又一种离子囚禁装置的结构示意图。该离子囚禁装置中，原子产生模块、原子囚禁模块(以3D-MOT为例)和离子囚禁模块均设置于第三真空腔内。在一种可能的实现方式中，原子囚禁模块中的第一区域与离子囚禁模块中的离子芯片之间的距离满足第二预设范围S内。第二预设范围需满足原子不容易沉积在离子芯片上。通过该示例二，设置于同一个真空腔中，有助于降低真空系统的复杂度，以及转移原子团的复杂度。

结合上述图8所示的离子囚禁装置，如图9a至图9d，示例性示出了另一种光阱激光装置将原子团从原子冷却囚禁模块转移至离子囚禁模块中的离子囚禁区域的过程。可分如下两种情形。

情形一，第二光阱激光传输至离子囚禁模块。

在该情形一中，光阱激光模块用于将第一光阱激光的束腰对准原子囚禁模块的中的第一区域(即3D-MOT中心)，将原子团装载于第一光阱激光中(如图9a)。光阱激光模块可通过将第一光阱激光的束腰从原子冷却囚禁模块转移至离子囚禁模块(如图9b所示)，之后向离子囚禁模块传输第二光阱激光，调节第二光阱激光的束腰，使第二光阱激光的束腰与第一光阱激光的束腰交叉(如图9c)，在维持第一光阱激光的束腰与第二光阱激光的束腰交叉的情况下，改变第一光阱激光的传输方向和第二光阱激光的传输方向，使原子团移动至离子囚禁区域(如图9d)。详细的介绍可参见上述描述，此处不再一一赘述。

情形二，第二光阱激光传输至原子囚禁模块。

在该情形二中，光阱激光模块用于将第一光阱激光的束腰对准原子囚禁模块的中的第一区域(即3D-MOT中心)，将原子团装载于第一光阱激光中(如图9a)，之后向原子囚禁模块的中的第一区域传输第二光阱激光，调节第二光阱激光的束腰，使第二光阱激光的束腰与第一光阱激光的束腰交叉(如图9e)，在维持第一光阱激光的束腰与第二光阱激光的束腰交叉的情况下，改变第一光阱激光的传输方向和第二光阱激光的传输方向，使原子团移动至离子囚禁区域(如图9d)。

示例三，第一真空腔和第二真空相结合，第一光阱激光。

该示例中的离子囚禁装置的结构可与上述图6所示的离子囚禁装置的结构相同，可参见上述图6的描述。

结合上述图6所示的离子囚禁装置，如图10a至图10c，示例性示出了另一种光阱激光装置将原子团从原子冷却囚禁模块转移至离子囚禁模块中的离子囚禁区域的过程。具体为：光阱激光模块用于将第一光阱激光的束腰对准原子囚禁模块的中的第一区域(即3D-MOT中心)，将原子团装载于第一光阱激光中(如图10a)。光阱激光模块通过将第一光阱激光的束腰从原子冷却囚禁模块转移至离子囚禁模块(如图10b所示)，之后改变第一光阱激光的传输方向，使原子团移动至离子囚禁区域(如图10c)。详细的介绍可参见上述描述，此处不再一一赘述。

通过该示例三，可减少光阱激光光路的复杂度，且可降低了两束激光交叉点同时转移的难度。也就是说，通过该示例三，可使得离子囚禁装置和转移原子团的操作均得到简化。

示例四，第三真空腔，第一光阱激光。

该示例中的离子囚禁装置的结构可与上述图8所示的离子囚禁装置的结构相同，可参见上述图8的描述。

结合上述图8所示的离子囚禁装置，如图9a、图9b和图11，示例性示出了另一种光阱激光装置将原子团从原子冷却囚禁模块转移至离子囚禁模块中的离子囚禁区域的过程。具体如下：

在一种可能的实现方式中，光阱激光模块用于将第一光阱激光的束腰对准原子囚禁模块的中的第一区域(即3D-MOT中心)，将原子团装载于第一光阱激光中(如图9a)。光阱激光模块可通过将第一光阱激光的束腰从原子冷却囚禁模块转移至离子囚禁模块(如图9b所示)，改变第一光阱激光的传输方向，使原子团移动至离子囚禁区域(如图11)详细的介绍可参见上述描述，此处不再一一赘述。

在另一种可能的实现方式中，光阱激光模块用于将第一光阱激光的束腰对准原子囚禁模块的中的第一区域(即3D-MOT中心)，将原子团装载于第一光阱激光中(如图9a)，光阱激光模块可通过将第一光阱激光的束腰从原子冷却囚禁模块直接转移至离子囚禁模块的离子囚禁区域(如图11所示)。

基于上述描述的离子囚禁装置的结构和功能原理，本申请还可以提供一种离子阱系统，该离子阱系统可包括上述介绍的离子囚禁装置，还可包括激光调控装置和成像探测装置。进一步，可选地，还可包括操控激光器。如图12所示，为本申请提供的一种离子阱系统的结构示意图。该离子阱系统可包括操控激光器、离子囚禁装置、激光调控装置和成像探测装置。其中，操控激光器用于发射操控激光，并向激光调控装置传输操控激光。激光调控装置用于对接收到的操控激光进行调制(例如调幅、调频、调相、强度调制和/或脉冲调制传等)，并将调制后的操控激光输至离子囚禁装置中囚禁的离子上，以实现对离子囚禁装置中的离子进行定位和量子操控。离子囚禁装置可参见上述描述，此处不再一一赘述。成像探测装置，用于收集被操控的离子的荧光信息，之后对荧光信息进行处理，完成量子计算过程。

基于上述内容和相同的构思，图13示例性示出了本申请实施例提供的一种离子囚禁方法的方法流程示意图。该方法可应用于上述任一实施例中的离子囚禁装置，其中，离子囚禁装置可包括原子囚禁模块和离子囚禁模块。该方法包括以下步骤：

步骤1301，产生原子束流。

该步骤1301可参见上述原子产生模块中产生原子束流的详细的介绍，此处不再赘述。

步骤1302，对原子束流进行囚禁，得到原子团。其中，原子团的温度小于预设温度，预设温度与第一光阱激光的势阱深度相关。

此处，可参见上述原子囚禁模块的介绍，此处不再详细赘述。

步骤1303，接收第一光阱激光，将原子团装载于第一光阱激光中，通过第一光阱激光将原子团从原子囚禁模块转移至离子囚禁模块，对原子团进行电离。

此处，原子囚禁模块用于囚禁原子团，离子囚禁模块用于囚禁原子团电离后的离子。

在一种可能的实现方式中，可以将第一光阱激光的束腰对准原子囚禁模块中的第一区域，并将原子团装载于第一光阱激光的束腰中，将第一光阱激光的束腰，从原子囚禁模块中的第一区域转移至离子囚禁模块，实现将原子团转移至离子囚禁模块，其中，第一光阱激光的束腰的势阱深度大于原子团的动能。示例性地，可以根据第一控制信号，将第一光阱激光的束腰从原子囚禁模块中的第一区域转移至离子囚禁模块，其中，第一控制信号可以是根据原子囚禁模块中的第一区域与离子囚禁模块之间的路径生成的。

由于从原子囚禁模块中的第一区域转移至离子囚禁模块后，原子团与离子囚禁区域可能还有一定的距离，需进一步将原子团转移至离子囚禁区域。如下示例性地的示出了两种可能的实现方式。

实现方式A，改变第一光阱激光的传输方向。

可通过改变第一光阱激光的传输方向，将原子团移动至离子囚禁区域。具体可以是：根据第三控制信号，改变第一光阱激光的传输方向，使原子团移动至离子囚禁区域，其中，第三控制信号可以是根据原子团从原子囚禁模块转移至离子囚禁模块所处的位置以及离子囚禁区域的位置生成的。

实现方式B，改变第一光阱激光的传输方向和第二光阱激光的传输方向。

可接收第二光阱激光，将原子团装载于第二光阱激光的束腰与第一光阱激光的束腰所交叉的区域，并通过改变第一光阱激光和第二光阱激光的传输方向，将原子团移动至离子囚禁区域，其中，第二光阱激光的束腰与第一光阱激光的束腰交叉。具体可以是：根据第三控制信号和第四控制信号，在维持第一光阱激光的束腰与第二光阱激光的束腰交叉的情况下，分别改变第一光阱激光和第二光阱激光的传输方向，使原子团移动至离子囚禁区域，其中，第三控制信号和第四控制信号可以根据从原子囚禁模块转移至离子囚禁模块的原子团的位置以及离子囚禁区域的位置分别生成的。

此处，关于实现方式A详细介绍，可参见上述实现方式一的描述；关于实现方式B的详细介绍，可参见上述实现方式二的描述，此处不再一一赘述。

为了进一步提高第一光阱激光装载原子团的效率，将原子团装载于第一光阱激光中之前可对原子团进行再次冷却。具体过程可参见上述原子囚禁模块的介绍，此处不再赘述。

在本申请的各个实施例中，如果没有特殊说明以及逻辑冲突，不同的实施例之间的术语和/或描述具有一致性、且可以相互引用，不同的实施例中的技术特征根据其内在的逻辑关系可以组合形成新的实施例。

本申请中，“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B的情况，其中A,B可以是单数或者复数。在本申请的文字描述中，字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

可以理解的是，在本申请的实施例中涉及的各种数字编号仅为描述方便进行的区分，并不用来限制本申请的实施例的范围。上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定。

尽管结合具体特征及其实施例对本申请进行了描述，显而易见的，在不脱离本申请的精神和范围的情况下，可对其进行各种修改和组合。相应地，本说明书和附图仅仅是所附权利要求所界定的方案进行示例性说明，且视为已覆盖本申请范围内的任意和所有修改、变化、组合或等同物。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本申请实施例的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (21)

1.一种离子囚禁装置，其特征在于，包括：原子产生模块、原子囚禁模块、光阱激光模块和离子囚禁模块；

所述原子产生模块，用于产生原子束流，并将所述原子束流喷向所述原子囚禁模块；

所述原子囚禁模块，用于对接收到的所述原子束流进行囚禁，得到原子团；

所述光阱激光模块，用于向所述原子囚禁模块传输第一光阱激光，将所述原子团装载于所述第一光阱激光中，并通过所述第一光阱激光将所述原子团转移至所述离子囚禁模块；

所述离子囚禁模块，用于囚禁离子，所述离子是对来自所述光阱激光模块的所述原子团进行电离后得到的。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述原子团的温度小于预设温度，所述预设温度与所述第一光阱激光的势阱深度相关。

3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述光阱激光模块，用于向所述原子囚禁模块传输所述第一光阱激光，将所述原子团装载于所述第一光阱激光中，并通过所述第一光阱激光将所述原子团转移至所述离子囚禁模块，包括：

将所述第一光阱激光的束腰对准所述原子囚禁模块中的第一区域，并将所述原子团装载于所述第一光阱激光的束腰中，所述第一区域用于囚禁所述原子团，所述第一光阱激光的束腰的势阱深度大于所述原子团的动能；

将所述第一光阱激光的束腰的从所述原子囚禁模块中的第一区域转移至所述离子囚禁模块。

4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述离子囚禁模块包括离子囚禁区域；

所述光阱激光模块，还用于通过改变所述第一光阱激光的传输方向，将所述原子团移动至所述离子囚禁区域。

5.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述离子囚禁模块包括离子囚禁区域；

所述光阱激光模块，还用于向所述离子囚禁模块传输第二光阱激光，将所述原子团装载于所述第一光阱激光的束腰和所述第二光阱激光的束腰所交叉的区域，并通过改变所述第一光阱激光和所述第二光阱激光的传输方向，将所述原子团移动至所述离子囚禁区域，其中，所述第二光阱激光的束腰与所述第一光阱激光的束腰交叉。

6.如权利要求1至5任一项所述的装置，其特征在于，所述原子产生模块与所述原子囚禁模块设置于第一真空腔内，所述离子囚禁模块设置于第二真空腔内，所述第一真空腔与所述第二真空腔通过差分管连通。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述离子囚禁模块包括离子芯片，所述离子芯片与所述差分管的轴线之间的距离在第一预设范围内。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述离子芯片还包括电极，所述电极设置于所述离子芯片沿重力方向的一侧。

9.如权利要求1至5任一项所述的装置，其特征在于，所述原子产生模块、所述原子囚禁模块和所述离子囚禁模块均设置于第三真空腔内。

10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述原子囚禁模块中的第一区域与所述离子囚禁模块中的离子芯片之间的距离满足第二预设范围内。

11.如权利要求1至10任一项所述的装置，其特征在于，所述原子囚禁模块包括三维磁光阱；

所述三维磁光阱，用于对接收到的原子束流进行囚禁，得到所述原子团。

12.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述原子囚禁模块还包括蒸发冷却单元；

所述蒸发冷却单元，用于对所述原子团进行蒸发冷却。

13.如权利要求12所述的装置，其特征在于，所述蒸发冷却单元为纯磁阱或纯光阱。

14.如权利要求11至13任一项所述的装置，其特征在于，所述原子囚禁模块还包括二维磁光阱；

所述二维磁光阱，用于对接收到的所述原子束流进行冷却和汇聚，并将冷却和汇聚后的原子束流喷向所述三维磁光阱。

15.一种离子阱系统，其特征在于，包括激光调控装置以及如权利要求1～14任一项所述的离子囚禁装置，所述激光调控装置用于将接收到的操控激光传输至所述离子囚禁装置中对应的离子上，所述操控激光用于对所述离子囚禁装置中的离子进行量子操控。

16.一种离子囚禁方法，其特征在于，应用于离子囚禁装置，所述离子囚禁装置包括原子囚禁模块和离子囚禁模块；所述方法包括：

产生原子束流；

对所述原子束流进行囚禁，得到原子团；

接收第一光阱激光，将所述原子团装载于所述第一光阱激光中，通过所述第一光阱激光将所述原子团从所述原子囚禁模块转移至所述离子囚禁模块，并对所述原子团进行电离，所述原子囚禁模块用于囚禁所述原子团，所述离子囚禁模块用于囚禁所述原子团电离后的离子。

17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述原子团的温度小于预设温度，所述预设温度与所述第一光阱激光的势阱深度相关。

18.如权利要求16或17所述的方法，其特征在于，所述方法包括：

将所述第一光阱激光的束腰对准所述原子囚禁模块中的第一区域，并将所述原子团装载于所述第一光阱激光的束腰中，所述第一区域用于囚禁所述原子团，所述第一光阱激光的束腰的势阱深度大于所述原子团的动能；

将所述第一光阱激光的束腰，从所述原子囚禁模块中的第一区域转移所述至离子囚禁模块。

19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述离子囚禁模块包括离子囚禁区域；

所述方法还包括：

通过改变所述第一光阱激光的传输方向，将所述原子团移动至所述离子囚禁区域。

20.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述离子囚禁模块包括离子囚禁区域；

所述方法还包括：

接收第二光阱激光；

将所述第二光阱激光的束腰与所述第一光阱激光的束腰交叉；

将所述原子团装载于所述第二光阱激光的束腰与所述第一光阱激光的束腰所交叉的区域，并通过改变所述第一光阱激光和所述第二光阱激光的传输方向，将所述原子团移动至所述离子囚禁区域。

21.如权利要求16至20任一项所述的方法，其特征在于，所述将所述原子团装载于所述第一光阱激光中之前，还包括：

对所述原子团进行再次冷却。

Images