CN112750549B - 一种离子阱 - Google Patents

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Abstract

本文公开一种离子阱，本发明实施例离子阱包括：作为射频电极的一对刀片电极、作为直流电极的一对刀片电极和电压源；在由成像系统与离子阱轴线方向确定的坐标系内，射频电极和直流电极设置在两个奇数象限或两个偶数象限内；电压源为射频电极和直流电极分别施加相应的电压，以获得二维离子阵列的约束势场；其中，二维离子阵列所在平面与成像系统的物平面的夹角小于或等于预设角度。本发明实施例通过上述结构的离子阱，在减小二维离子阵列所在平面与成像系统的物平面的夹角的同时，离子阱中除设置直流电极、射频电极和成像系统的空间均可以用于对二维离子阵列进行光学操控，增大了光学通路。

Description

一种离子阱
技术领域
本文涉及但不限于离子阱技术，尤指一种离子阱。
背景技术
保罗离子阱(Paul trap)也称作四极离子阱，是一种利用射频电场和静电场将离子稳定地约束在给定空间区域的技术，在量子计算、量子模拟、量子信息和精密测量等领域都有广泛而重要的应用。一种常用的保罗离子阱设计是刀片型离子阱(blade trap)，包括施加了所需的射频电场和静电场的两对刀片状电极；其中，每块刀片状电极又可以分割为相互独立的若干区域，在每个区域上可以施加独立的电压，实现对约束电场进行精细的控制。
目前，对于单个离子或几十个离子组成的一维离子链，离子阱技术已经较为成熟；为了进一步增加在量子计算、量子模拟和量子信息应用中的量子比特数，或提高精密测量时的测量精度，需要使用二维离子阵列，在离子阱中稳定地约束成百上千的离子。对于二维离子阵列，相关技术在离子阱设计过程中存在成像系统的物平面(object plane)与二维离子阵列所在平面不重合、光学通路(optical access)过小等问题。
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，能够在减小二维离子阵列所在平面与成像系统的物平面的夹角的同时，增大光学通路。
本发明实施例提供了一种离子阱，包括：作为射频电极的一对刀片电极、作为直流电极的一对刀片电极和电压源；
在由成像系统与离子阱轴线方向确定的坐标系内，射频电极和直流电极设置在预先设定的两个象限；其中，所述预先设定的两个象限包括：所述坐标系的两个奇数象限或两个偶数象限；
电压源为射频电极和直流电极分别施加相应的电压，以获得二维离子阵列的约束势场；
所述二维离子阵列所在平面与所述成像系统的物平面的夹角小于或等于预设角度；
其中，预设角度取值满足以下关系：
(θ1+θ2/2)在(45°-θ0)到(45°+θ0)之间；
θ0为所述预设角度，θ1为所述射频电极和所述直流电极中离所述物平面较近的一对刀片电极与所述物平面的夹角；θ2为所述射频电极和所述直流电极的夹角。
在一种示例性示例中，所述坐标系的第一坐标轴的方向为所述成像系统的方向，所述坐标系的第二坐标轴的方向为所述射频电极与所述直流电极的轴线方向，第三坐标轴的方向为与所述第一坐标轴和所述第二坐标轴均垂直的方向。
在一种示例性示例中，所述成像系统的物平面位于所述第三坐标轴与所述第二坐标轴组成的平面。
在一种示例性示例中，所述成像系统的数值孔径大于或等于sinθNA；
其中，所述θNA为所述预设的成像系统的物镜孔径角的下限的一半，θNA≤90°-θ1-θ2。
在一种示例性示例中，所述θ1等于20度，所述θ2等于40度。
在一种示例性示例中，所述电压源是设置为：
向所述射频电极施加射频电压和第一直流电压；向所述直流电极施加第二直流电压。
在一种示例性示例中，所述离子阱还包括操控单元，设置为：
通过所述坐标系内除设置所述射频电极、所述直流电极和所述成像系统以外的空间，进行所述二维离子阵列的光学操控。在一种示例性示例中，所述刀片电极包括：按照预设策略切分为两个以上部分的刀片电极。
本发明实施例离子阱包括：作为射频电极的一对刀片电极、作为直流电极的一对刀片电极和电压源；在由成像系统与离子阱轴线方向确定的坐标系内，射频电极和直流电极设置在两个奇数象限或两个偶数象限内；电压源为射频电极和直流电极分别施加相应的电压，以获得二维离子阵列的约束势场；其中，二维离子阵列所在平面与成像系统的物平面的夹角小于或等于预设角度。本发明实施例通过上述结构的离子阱，在减小二维离子阵列所在平面与成像系统的物平面的夹角的同时，离子阱中除设置直流电极、射频电极和成像系统的空间均可以用于对二维离子阵列进行光学操控，增大了光学通路。
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的组成框图；
图2为本发明实施例离子阱的截面图；
图3为本发明实施例离子阱的约束势场示意图；
图4为本发明实施例对产生的二维离子阵列进行激光操控的示意图。
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。
图1为本发明实施例离子阱的组成框图，如图1所示，包括：作为射频电极1的一对刀片电极、作为直流电极2的一对刀片电极和电压源3；在由成像系统与离子阱轴线方向确定的坐标系内，射频电极和直流电极设置在预先设定的两个象限；其中，预先设定的两个象限包括：所述坐标系的两个奇数象限或两个偶数象限；
电压源为射频电极和直流电极分别施加相应的电压，以获得二维离子阵列的约束势场；
二维离子阵列所在平面与成像系统的物平面的夹角小于或等于预设角度。
本发明实施例离子阱包括：作为射频电极的一对刀片电极、作为直流电极的一对刀片电极和电压源；在由成像系统与离子阱轴线方向确定的坐标系内，射频电极和直流电极设置在两个奇数象限或两个偶数象限内；电压源为射频电极和直流电极分别施加相应的电压，以获得二维离子阵列的约束势场；其中，二维离子阵列所在平面与成像系统的物平面的夹角小于或等于预设角度。本发明实施例通过上述结构的离子阱，在减小二维离子阵列所在平面与成像系统的物平面的夹角的同时，离子阱中除设置直流电极、射频电极和成像系统的空间均可以用于对二维离子阵列进行光学操控，增大了光学通路。
在一种示例性示例中，本发明实施例按照预设策略选定两对刀片电极中的一对为射频电极，另一对为直流电极；例如，随机选定。
在一种示例性实例中，本发明实施例坐标系的第一坐标轴的方向为成像系统的方向，坐标系的第二坐标轴的方向为射频电极与直流电极的轴线方向，第三坐标轴的方向为与第一坐标轴和所述第二坐标轴均垂直的方向。
在一种示例性实例中，本发明实施例成像系统的物平面位于第三坐标轴与第二坐标轴组成的平面。
在一种示例性示例中：第一坐标轴可以为y轴，第二坐标轴可以为z轴，第三坐标轴为x轴。
本发明实施例在成像系统与离子阱轴线方向确定的坐标系内，将两对刀片电极设置在第二象限和第四象限；或将离子阱镜面反射，将两对刀片电极设置在第一和第三象限；设计实现的离子阱适用于二维离子阵列。
在一种示例性实例中，本发明实施例中的电压源是设置为：
向射频电极施加射频电压和第一直流电压；向直流电极施加第二直流电压。
在一种示例性实例中，本发明实施例中的离子阱还包括操控单元，设置为：
通过坐标系内除设置射频电极、直流电极和成像系统以外的空间，进行二维离子阵列的光学操控。
在一种示例性实例中，本发明实施例中的刀片电极包括：按照预设策略切分为两个以上部分的刀片电极。例如、每块刀片电极可以参照相关技术中的刀片电极分割为例如5个部分。本发明实施例刀片电极或其支架的具体结构可以参照相关技术实现，在此不做赘述。
在一种示例性实例中，本发明实施例中的预设角度的取值满足以下关系：
(θ1+θ2/2)在(45°-θ0)到(45°+θ0)之间；
其中，θ0为所述预设角度，θ1为射频电极和直流电极中离物平面较近的一对刀片电极与物平面的夹角；θ2为射频电极和直流电极的夹角。
在一种示例性实例中，本发明实施例成像系统的数值孔径大于或等于sinθNA；换句话说，本发明实施例成像系统的物镜孔径角大于或等于2θNA；
其中，θNA为预设的成像系统的物镜孔径角的下限的一半。，θNA≤90°θ1-θ2。
在一种示例性实例中，本发明实施例中的θ1等于20度，θ2等于40度。
本发明实施例，在预先设定θ0和θNA后，确定刀片电极的角度θ1和θ2：θ1和θ2需要满足上述角度关系。也就是说，为了让二维离子阵列所在平面与所述成像系统的物平面的夹角小于或等于θ0，需要选取θ1+θ2/2在(45°-θ0)到(45°+θ0)之间；为了让成像系统的数值孔径大于或等于sinθNA，需要让90°-θ1-θ2大于或等于θNA。以第一坐标轴为y轴、第二坐标轴为z轴和第三坐标轴为x轴为例，图2为本发明实施例离子阱的截面图，如图2所示，刀片电极在x-y平面的截面，成像系统沿着y方向，物平面为x-z平面(在截面图中为x轴)。两对刀片电极的方位分别关于z轴(在截面图中为坐标原点)旋转180°对称，都处于第二、第四象限。在一种示例性实例中，本发明实施例一对刀片电极与物平面的夹角为20°，两对刀片电极之间的夹角为40°。此时可用于成像的张角为图示的60°(y轴两侧各30°)，对应的数值孔径为0.5。
图3为本发明实施例离子阱的约束势场示意图，如图3所示，对射频电极1施加射频电压和第一直流电压；对直流电极2施加第二直流电压；本发明实施例离子阱可以得到能产生二维离子阵列的约束势场，且二维离子阵列所在平面接近成像系统的物平面。作为示例选取靠近y轴的一对刀片电极作为射频电极1；射频电极1上的射频电压在x-y平面内各个方向产生大小相同的约束势场，如图中横线填充的箭头所示，约束势场的强度可以用其理论形式
Figure GDA0003765069040000061
的系数α表示；在射频电极1上施加第一直流电压(或在直流电极2上施加相反的直流电压)，可以在x-y平面内两个互相垂直的空间方向形成大小相同、方向相反的约束和排斥势场，且刀片电极的空间取向保证了这两个方向近似与x轴和y轴重合，如图中空白箭头所示，约束势场的强度可以用其理论形式
Figure GDA0003765069040000062
的系数β表示；最后采用本领域技术人员所知的方法，在直流电极2的不同区域施加不同的第二直流电压来获得z方向的约束势场，强度由其多项式展开中
Figure GDA0003765069040000063
项的系数γ表示。通过选取合适的射频电压、第一直流电压和第二直流电压，可以使得α＞β，
Figure GDA0003765069040000064
是一个远小于1的数，例如小于
Figure GDA0003765069040000065
或
Figure GDA0003765069040000066
γ小于或约等于α-β，例如不超过α-β的两倍。这样的射频电压、第一直流电压和第二直流电压共同产生在三维空间中的约束势场，并且离子的稳定分布是一个接近x-z平面的二维阵列。
图4为本发明实施例对产生的二维离子阵列进行激光操控的示意图，如图4所示，在刀片电极的支架和成像系统所占据的空间以外的空间都可以用于对二维离子阵列的光学操控；采用图2的离子阱的设计参数，本发明实施例在第一象限和第三象限附近分别具有80°和140°的角度范围，离子阱与所获得的二维离子阵列，可以从第一、第三象限和未被使用的第二、第四象限的空间对离子施加激光操控，实现大光学通路；图中示意地画出了5束激光的方向；需要说明的是，本发明实施例并不限于特定的激光方向。本发明实施例能够实现二维离子阵列，并让二维离子阵列所在平面与成像系统的物平面基本重合，便于对该离子阵列进行观测，在量子计算、量子模拟、量子信息、精密测量等领域的应用具有重要的科学研究价值和广阔的工业应用前景。
“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 (8)

1.一种离子阱，包括：作为射频电极的一对刀片电极、作为直流电极的一对刀片电极和电压源；
在由成像系统与离子阱轴线方向确定的坐标系内，射频电极和直流电极分别设置在预先设定的两个象限；其中，所述预先设定的两个象限包括：所述坐标系的两个奇数象限或两个偶数象限；
电压源为射频电极和直流电极分别施加相应的电压，以获得二维离子阵列的约束势场；其中，所述二维离子阵列所在平面与所述成像系统的物平面的夹角小于或等于预设角度；
其中，所述预设角度取值满足以下关系：
(θ1+θ2/2)在(45°-θ0)到(45°+θ0)之间；
θ0为所述预设角度，θ1为所述射频电极和所述直流电极中离所述物平面较近的一对刀片电极与所述物平面的夹角；θ2为所述射频电极和所述直流电极的夹角。
2.根据权利要求1所述的离子阱，其特征在于：
所述坐标系的第一坐标轴的方向为所述成像系统的方向，所述坐标系的第二坐标轴的方向为所述射频电极与所述直流电极的轴线方向，第三坐标轴的方向为与所述第一坐标轴和所述第二坐标轴均垂直的方向。
3.根据权利要求2所述的离子阱，其特征在于，所述成像系统的物平面位于所述第三坐标轴与所述第二坐标轴组成的平面。
4.根据权利要求3所述的离子阱，其特征在于，所述成像系统的数值孔径大于或等于sinθNA；
其中，所述θNA为预设的成像系统的物镜孔径角下限的一半，θNA≤90°-θ1-θ2。
5.根据权利要求4所述的离子阱，其特征在于，所述θ1等于20度，所述θ2等于40度。
6.根据权利要求 1～5任一项所述的离子阱，其特征在于，所述电压源是设置为：
向所述射频电极施加射频电压和第一直流电压；向所述直流电极施加第二直流电压。
7.根据权利要求1～5任一项所述的离子阱，其特征在于，所述离子阱还包括操控单元，设置为：
通过所述坐标系内除设置所述射频电极、所述直流电极和所述成像系统以外的空间，进行所述二维离子阵列的光学操控。
8.根据权利要求1～5任一项所述的离子阱，其特征在于，所述刀片电极包括：按照预设策略切分为两个以上部分的刀片电极。
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