CN112771553A

CN112771553A - 用于量子计算的离子链的高效冷却

Info

Publication number: CN112771553A
Application number: CN201980044184.2A
Authority: CN
Inventors: J·M·阿米尼
Original assignee: Ionic Corp
Current assignee: Ionic Corp
Priority date: 2018-06-29
Filing date: 2019-06-25
Publication date: 2021-05-07
Also published as: EP3815006A1; EP3815006B1; JP2021530040A; WO2020005963A1; JP7285862B2; DK3815006T3; US20220222561A1; US11727300B2; US20230351233A1; US20200005178A1; ES2967984T3; FI3815006T3; US11334811B2

Abstract

本公开描述了用于将离子链冷却至接近组合基态的不随链中离子的数量而增长的技术的各个方面。通过单独寻址每个离子并使用每个离子冷却不同的运动模式，可以同时冷却运动模式。在一个示例中，可以同时冷却全部运动模式的三分之一。在一个方面，所述技术包括：针对离子链中的每个离子生成边带冷却激光束；使用相应的边带冷却激光束同时冷却与离子链中的离子相关联的两个或更多个运动模式，直到所述两个或更多个运动模式中的每一个达到运动基态；以及在所述两个或更多个运动模式达到运动基态后，使用所述离子链执行量子计算。

Description

用于量子计算的离子链的高效冷却

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年6月29日提交的名称为“EFFICIENT COOLING OF ION CHAINSFOR QUANTUM COMPUTATION”的美国临时专利申请No.62/692,099和2019年6月24日提交的名称为“EFFICIENT COOLING OF ION CHAINS FOR QUANTUM COMPUTATION”的美国专利申请No.16/450,779的优先权和权益，上述申请的全文通过引用明确并入本文。

技术领域

本公开的各个方面总体上涉及量子系统，更具体地，涉及用于量子计算中的原子量子位(qubit)的离子链的高效冷却。

背景技术

被捕获的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。

需要在离子链中的物理量子位之间执行纠缠门，以实现大规模量子计算。为此，用被捕获的原子离子(量子位)进行的量子计算利用离子的组合运动来创建纠缠门。由于初始运动态影响门操作，因此离子通常在量子计算开始时或量子计算期间(如果使用协同(sympathetic)冷却的话)首先被冷却到接近运动基态。需要冷却的运动模式的数量与离子的数量成正比。传统上，运动模式是顺序冷却的，也就是说，下一个运动模式只有在前一个运动模式被冷却之后才被冷却。随着原子离子数量的增加，这导致总冷却时间延长。

随着冷却过程的延长，离子阱电极中电场波动对运动模式的加热会产生噪声，从而压倒冷却过程。因此，实施更快的冷却方法是有利的。因此，需要允许离子链的更高效冷却的技术。

发明内容

以下是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。该发明内容并非对所有预期方面的广泛概述，且既不意图识别所有方面的核心或关键元件，也不意图描绘任何或所有方面的范围。其目的是以简化的形式呈现一个或多个方面的一些概念，作为稍后呈现的更详细描述的序言。

本公开描述了将离子链冷却到接近复合运动基态的技术，这种复合运动基态在执行时间内不会随着离子数量的增加而增长。通过单独寻址每个离子并使用每个离子冷却不同的运动模式，可以同时冷却多个运动模式。在一个示例中，可以同时冷却全部运动模式的三分之一。在其他示例中，可以冷却全部运动模式的其他数量。

在本公开的一个方面，描述了一种用于冷却具有多个离子的离子链的方法，该方法包括：针对所述离子链中的每个离子生成边带冷却激光束；使用相应的边带冷却激光束来同时冷却与所述离子链中的离子相关联的两个或更多个运动模式，直到所述两个或更多个运动模式中的每一个达到运动基态；以及在所述两个或更多个运动模式达到所述运动基态后，使用所述离子链执行量子计算。

在本公开的另一方面，描述了一种用于冷却具有多个离子的离子链的量子信息处理(quantum information processing,QIP)系统，该系统包括：一个或更多个光源，其被配置为针对所述离子链中的每个离子生成边带冷却激光束；光束控制器，其被配置为使用相应的边带冷却激光束来同时冷却与所述离子链中的离子相关联的两个或更多个运动模式，直到所述两个或更多个运动模式中的每一个达到运动基态；以及算法组件，其被配置为在所述两个或更多个运动模式达到所述运动基态后，使用所述离子链执行量子计算。

在本公开的另一方面，描述了一种存储代码的计算机可读存储介质，该代码具有可由处理器执行的用于冷却具有多个离子的离子链的指令，所述指令包括：用于针对所述离子链中的每个离子生成边带冷却激光束的代码；用于使用相应的边带冷却激光束来同时冷却与所述离子链中的离子相关联的两个或更多个运动模式，直到所述两个或更多个运动模式中的每一个达到运动基态的代码；以及用于在所述两个或更多个运动模式达到所述运动基态后，使用所述离子链执行量子计算的代码。

附图说明

附图仅说明了一些实施方式，因此不应视为对范围的限制。

图1A说明根据本公开的各方面的表示保持形成线性晶体或晶格的原子离子的阱的图示。

图1B是说明根据本公开的各方面的示出将激光辐射应用于状态初始化的简化能级图的示例的图示。

图1C是说明根据本公开的各方面的示出用于通过荧光进行量子位状态检测的激光辐射应用的简化能级图的示例的图示。

图2是示出了顺序边带冷却过程的示例的图示。

图3是说明根据本公开的各方面的具有限制在电势中的四(4)个离子的链的示例的图示。

图4是说明根据本公开的各方面的一组N＝4个运动模式的分布的示例的图示。

图5A和图5B是说明根据本公开的各方面的用于图4中的模式的一组离子运动幅度的示例的图示。

图6是说明根据本公开的各方面的边带冷却过程的并行化或同时化的示例的图示。

图7是说明根据本公开的各方面的计算机设备的示例的图示。

图8是说明根据本公开的各方面的方法的示例的流程图。

图9A是说明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9B是说明根据本公开的各方面的与并行化的边带冷却结合使用的光学控制器的示例的框图。

具体实施方式

下面结合附图所阐述的详细描述旨在作为对各种配置的描述，而不旨在表示可实践本文中所描述的概念的仅有配置。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，被捕获的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件，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量子通信网络的节点。基于被捕获的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％的效率制备和测量，并且可以通过用合适的外部控制场(例如光场或微波场)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限制或实际上被限制在阱中以形成链、晶体、晶格或类似布置或配置的粒子。本公开描述了用于冷却被捕获的原子离子的晶体中的运动模式的方法或过程以及设备或装置的形式的技术。

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、或简称Paul阱)，其中附近的电极保持静态和动态电势，其导致离子的有效非均匀谐波限制。RF Paul阱是一种使用电场将带电粒子捕获或限制在特定区域、位置或地点的阱。当原子离子在这种阱中被激光冷却到非常低的温度时，原子离子形成量子位的稳定晶体(例如，量子位的结构化布置)，库仑排斥平衡外部限制力。对于足够的阱各向异性，离子可以沿着弱限制方向形成线性晶体，并且这是典型地用于量子信息和计量中的应用的布置。

本公开描述了将离子链(例如，离子晶格或离子晶体)冷却到接近复合运动基态的技术，这种复合运动基态在执行时间内不会随着离子数量的增加而增长。通过单独寻址每个离子并使用每个离子冷却不同的运动模式，可以同时冷却运动模。在一个示例中，可以同时冷却全部运动模式的三分之一。

图1A说明表示例如在真空室100中使用线性RF Paul阱(通过使用真空室内部的电极)捕获线性晶体110中的原子离子的图示。在图1A中所示的示例中，量子系统中的真空室可以包括用于捕获N(N≥1)个原子镱离子(例如，¹⁷¹Yb⁺离子)的一组电极，这些离子被限制在线性晶体110中并且可以被激光冷却到几乎静止。被捕获的原子离子的数量是可配置的。用调谐到¹⁷¹Yb⁺共振的激光辐射照射原子，并将原子离子的荧光成像到相机上。在一个示例中，原子离子可以彼此分开约5微米(μm)的距离115，这可以通过荧光来验证。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。

各个被捕获的原子离子的强荧光依赖于光子的有效循环，原子离子种类(species)是针对强封闭(closed)光学跃迁选择的，其允许运动的激光冷却、量子位状态初始化和有效的量子位读出。在这些原子离子内部，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|↓>，或者等效地|1>和|0>的有效自旋来表征。例如，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，并且由频率ω₀/2π＝12.642812 GHz分隔。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，并且通过具有与369.53nm的光波长相对应的能量的光学间隔而与基态分离。

在这些光学跃迁中调谐到略低于共振的激光辐射允许多普勒激光冷却将原子离子限制在阱底附近。其他更复杂形式的激光冷却可以使原子离子在阱中几乎静止，如将在本公开中论述的。

当与

和

跃迁二者共振的双色激光束(例如，由光学调制产生的边带产生的具有两个色调的光束)被施加到原子时，它迅速地进入到状态|↓>，不再与光场相互作用，允许以基本上100％的保真度初始化量子位(例如，参见图1B)。

当应用与

跃迁共振的单个激光束时，闭合循环光学跃迁使处于|↑>态的离子发出强烈荧光，而处于|↓>态的离子由于激光频率远离其共振而保持黑暗(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。其它原子种类可具有类似的初始化/检测方案。

除了多普勒激光冷却之外，还使用离子的边带冷却过程，其中使用激光束或激光束组合从被捕获的离子集合的量子化的集体运动中去除运动的单个量子或多个量子。图2示出描述当前用于边带冷却的顺序技术的图示200。如图2中的图示200所示，边带冷却按照以下步骤进行：(1)使用“再泵浦”激光束将离子重置为较低能量状态(参见例如210)；(2)运动依赖性激光相互作用将一个量子的运动转移为从较低内部能态到较高内部能态的状态变化(参见例如220)；(3)离子再次复位；以及(4)从(2)开始重复，直到去除大部分或全部能量量子。

步骤(2)的定时在步骤(4)所示的重复过程中变化，以使量子去除速率最大化。也可以针对正被冷却的特定运动状态改变定时。可能需要几十到几百次重复(或更多)来去除足够的运动量子，以允许对原子/离子进行高质量的量子操作。对于离子链，通常可以针对运动的集体模式中的每一个重复该过程。

在图2的示例中，结合“再泵浦”激光束操作210示出了两个运动模式(例如，运动模式1(210a)和运动模式2(210b))，但是也可以在冷却前两个运动模式之后冷却附加的运动模式。图2中还示出了运动转移操作220，其中，如上文步骤(2)所述，运动依赖性激光相互作用将一个量子的运动转移为从较低内部能态到较高内部能态的状态变化。每一次后续的转移被示出为需要更长的时间，直到特定的运动模式最终达到其运动基态，并且下一运动模式可以被边带冷却为止。

与上述顺序(例如，连续或串行)边带冷却不同，本公开描述了对多个模式同时或同步(例如，并行)进行模式冷却，这可以大大减少冷却所有模式所需的时间。出于说明的目的，使用具有四个离子的示例来描述该同时过程。然而，该技术可以应用于任何数量的离子，这些离子被捕获在一个共同陷阱中，甚至是在分开的陷阱中，或者两者的组合。

图3示出四个离子被完全限制在电势中(例如，在Paul阱内)的图示300。对于N个离子，存在3×N个组合运动模式，通常形成3个独立的组，每组N个模式。在该示例中，使用其中一组的N个模式；然而，该方法可以寻址耦合到边带冷却激光束(例如，寻址光束3l0a、3l0b、3l0c和3l0d)的任意N个模式。对于两个或多个离子的链，则N≥2。

图4示出针对N＝4个模式的一组N个运动模式频率的分布示例的图示400。运动模式可包括关于该离子链的一个或多个纵向或轴向模式、关于该离子链的一个或多个横向或径向模式、或其组合。

图5A和图5B示出描述N＝4个模式中的每一个的示例性的一组离子运动振幅的图示500、510、520和530。在图示500中，与频率f1相关联的图4中的运动模式1(模式1)由四离子链中的第二离子(带阴影的离子2)来寻址。在图示510中，与频率f2相关联的图4中的运动模式2(模式2)由四离子链中的第三离子(带阴影的离子3)来寻址。在图示520中，与频率f3相关联的图4中的运动模式3(模式3)由四离子链中的第四离子(带阴影的离子4)来寻址。在图示530中，与频率f4相关联的图4中的运动模式4(模式4)由四离子链中的第一离子(带阴影的离子1)来寻址。

如图3中所示，每个离子分别由边带冷却激光(或激光组合)来寻址。每个寻址光束(例如，寻址光束1(3l0a)、2(310b)、3(3l0c)和4(3l0d))被调谐为与不同于图4的运动模式相互作用。对于最佳冷却，由每个光束寻址的离子应该具有该光束被调谐到的该运动模式中的大振幅，参见图5A和图5B。

由于每个光束都局部化到链中的特定离子和特定模式，因此将运动量子转移到上述离子内部状态步骤(2)的过程对每个光束来说在很大程度上是独立的，并且可以同时发生。步骤(1)和(3)的复位对于所有离子都是相同的并且是共同的。图2中运动状态的顺序寻址现在被如图6中的图示600中所示的这些状态的并行冷却所替代。这种并行化导致冷却离子链所需时间减少N倍。

除了上述同时或同步边带冷却的一般技术外，还可以根据使用分开的激光束单独寻址离子的能力来实现其他方面。例如，在第一方面，链中的离子可以是两个或更多个种类或同位素(例如，离子的一种类型是¹⁷¹Yb⁺，而离子的另一种类型不同于¹⁷¹Yb⁺，并用于协同冷却)。这允许在量子操作期间进行协同冷却(而不是在执行量子操作之前等待边带冷却完成)。在另一方面，单运动模式可以通过两个或更多个离子和两个或更多个激光束来寻址。在这种情况下，可以顺序施加冷却脉冲，在施加再泵浦之前将一个以上的量子转移到多个离子中。在又一方面，可单独寻址再泵浦光束，使得可以异步地进行对每个离子的边带冷却，而无需在所有离子上对准再泵浦脉冲。

下面描述通过单独寻址链中的离子进行多个运动模式的同时或同步边带冷却的技术的其他细节和背景。

将链(例如离子晶体或离子晶格)中的离子冷却到运动的基态(运动基态)是任何量子操作或计算的开始步骤之一。这通常是通过各种激光相互作用完成的。其中一个挑战是，随着离子数量(例如量子位的数量)的增加，需要考虑冷却离子的自由度数量增加。因此，随着离子数量的增加，冷却离子所需的时间也会增加，这可能会导致不利的情况，即冷却离子的时间比执行量子操作或计算的时间长。此外，离子阱(例如，Paul阱)可最终加热离子，这与对离子执行的冷却相反。

由于本文所述的量子信息处理(QIP)系统能够单独寻址链中的每个离子，因此可以使用这些功能来并行冷却一组中的所有运动模式(或至少所有可能运动模式的三分之一)。这样，就可以同时使每个离子寻址不同的运动模式，因为它们在很大程度上是独立的。因此，可以同时对所有N个模式执行去除量子的重复处理，直到所有运动模式都达到运动基态。

运动模式可以指的是运动的正常模式(normal mode)。例如，链中的离子可能表现得像弹簧链上的重物(例如，耦合振荡器)，并且它们的运动可以用一组振荡频率来表示。因此，运动模式可以对应于不同的振荡频率。运动的正常模式可以表示解耦的自由度，并且可以激发一个而不必激发其他的。由于这种解耦，一个正常模式可能是热的(例如，激发的)而另一个正常模式可能是冷的(例如，未激发的)。因此，为了准备用于量子操作或计算的离子链，可能有必要冷却运动的分离的或解耦的正常模式(例如，运动模式)。

以前的边带冷却离子的技术都依赖于如上所述的顺序冷却。也就是说，运动模式中的第一运动模式被冷却，然后第二运动模式，然后第三运动模式，直到所有运动模式都被冷却。这些技术有几个问题。第一个问题是该过程需要很长时间才能完成，第二个问题是在该过程完成之前，较早的模式开始升温。因此，这种顺序方法是不可扩展的，特别是随着量子计算和操作所需离子数量的增加。

与上述顺序冷却相关联的问题可以通过对本文所述QIP系统支持的离子进行单独寻址来克服。离子的单独寻址还允许各种优化技术。例如，在N＝3的情况下(三个运动模式或运动的正常模式)，可以利用用于每个离子的分开的激光束来控制每个离子的运动。所以这是3个离子和3个正常模式的情况。其中一种模式可以是中心或中间离子根本不移动或不参与运动。在这种情况下，将激光束照射在中心或中间离子上是低效的，因为中间离子没有耦合。基于该示例，清楚的是，某些离子更有效地耦合到某些运动模式(例如，该示例中的端部离子)，并且某些离子是空闲的(例如，中心或中间离子)。因此，可以识别哪个离子(或哪些离子)最适合于冷却特定的运动模式，然后以与相应的运动模式相关联的频率向该特定离子照射或提供激光束，以通过该离子冷却该运动模式。如上所述，图4中的图示400示出了在N＝4的情况下不同频率与不同模式的对应关系的示例，而图5A和图5B中的图示500、510、520和530示出了如何将不同的离子用于不同的模式/频率的示例。

如上所述，冷却是逐步的，并且需要在一系列重复步骤中的每个步骤从每个运动模式中去除一个能量量子(例如，参见上述步骤(1)、(2)、(3)和(4))。通常，链中的信息量子位被设置或重置为接地，然后使用激光束(例如，门激光)进行转移。所有离子都同时被其相应的门激光击中，其中这些激光器中的每一个都被调谐到特定频率以寻址特定模式(例如，参见图3和图4)。每个激光将一个量子拉到内部信息状态，然后被擦除，使得该信息丢失或被破坏，但会导致一个量子从运动中去除。使门光束或门激光与离子相互作用以将运动信息拉到内部状态中，然后擦除的这个过程被重复多次。在一些示例中，可将一个以上的激光调谐到相同频率以寻址相同模式，以便一次从该模式去除多个运动量子。

可以在同时或同步边带冷却期间进行的另一个优化是，门激光或光束与其相应离子相互作用的时间量可能不同于另一个门激光或光束与其相应离子相互作用的时间量。也就是说，与不同离子相互作用以寻址不同运动模式可能需要不同的时间量。

可执行的另一个优化包括对于不同运动模式或离子，在不同时间擦除(例如，去除运动量子)。

可能需要优化的其他方面包括当某些运动模式的频率非常接近时，并且如果这些模式的相应光束彼此接近，则单独寻址运动模式可能具有挑战性。一种方法可以是使用如下准则针对每个间隔紧密的模式选择离子：该离子仅对该模式具有强耦合，并且对于其他模式没有强耦合。图5A和图5B中的图示中的运动幅度示出了耦合强度的变化。

另外如上所述，通常有两个不同的冷却阶段。首先是多普勒冷却，其次是边带冷却。多普勒冷却通常可以使运动量子的数量达到几个量子，但并不是一直到运动基态。因此，多普勒冷却最终将运动模式降低到几个量子，这对于第一冷却阶段来说是合理的。对于边带冷却，剩余的运动量子被去除，以使运动模式达到运动基态。通常，可以将步骤或重复的数量确定为使得去除过程被重复预定数量，该预定数量的重复确保在任何运动模式中都没有剩余的运动量子。

如图2和图6中所示，随着量子的数量变低，从运动模式中去除下一个量子需要更长的时间(例如，脉冲宽度随着时间的延长而变宽)。这在一定程度上是因为吸收其中一个量子的量子位内跃迁，然后重置(例如，从系统/模式中获取熵的过程)所需的时间。因为去除每个额外的运动量子所需的时间量增加，所以必须控制专用于每个步骤或重复的时间量，如图2和图6中的运动转移激光束的变化的脉冲宽度所示。

另一个需要考虑的并且在上面描述的方面是，由于阱电极中不受控制的电场波动，并且由于离子是带电粒子，离子将被离子阱中的电极加热。这种效应被称为加热速率。因此，同时或同步边带冷却的一个益处是，其足够高效且快速，使得在运动模式再次开始升温(例如，由于该加热速率)之前，有足够的时间来执行量子计算或操作。总的来说，希望冷却速率比加热速率快。

有一点需要指出的是，并不是所有的运动模式都以相同的速率升温。例如，共同模式(例如，具有相同方向上的运动)可能较容易地用缓慢波动的电场(或在该模式的空间频率的长度范围上趋于均匀的电场)来激发，而差分模式(例如，具有不同方向的运动)可能需要快速波动的电场(或与该模式的空间频率相比具有高空间频率的电场)来激发。因此，与同时边带冷却相关联的另一个优化机会是，可以花费较多的时间和较多的资源(例如，激光束)来冷却升温较快的运动模式，而花费较少的时间和较少的资源来冷却升温较慢的运动模式。例如，可以分配较多的离子和激光束来冷却升温较快的那些运动模式。在一个示例中，如果存在一个剩余运动模式需要冷却，则可以分配两个或更多个离子和激光束，从而更快地从该运动模式中去除任何剩余的运动量子。

本文所述QIP系统(例如，参见图9A和图9B)及其在同时边带冷却中的应用的另一个益处是如上所述在执行量子计算或操作的同时还执行协同冷却的能力。通过使用两种不同类型的离子或同位素，其中至少一种类型(原子种类或同位素)用于计算，并且至少一种类型(原子种类或同位素)散布在计算离子当中用于冷却(冷却或冷却剂离子)，可以使用冷却剂离子来冷却附近的计算离子，同时计算离子被用来执行量子计算或操作。一个优化机会是将冷却剂离子(协同离子)放置或定位在它们将参与运动模式的地方，以帮助冷却那些运动模式。

包括并同时边带冷却的高效冷却过程的上述各方面以及结合图2至图6中的四离子链描述的相关示例可以作为方法或过程由不同的设备或系统来执行。下面结合图7至图9B进一步描述这些方法、过程、设备或系统的额外细节。

现在参照图7，示出了根据本公开的各方面的示例计算机设备700。例如，计算机设备700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700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结合。例如，计算机设备700可用于使用基于捕获离子技术的量子算法来处理信息，并且因此可实现用于高效冷却的方法或过程，包括涉及同时或同步边带冷却运动模式的技术。在图9A和图9B中所示的示例中说明了作为可实现本文描述的技术的QIP系统的计算机设备700的一般示例。

在一个示例中，计算机设备700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710。例如，处理器710可以被配置为控制、协调和/或执行同时或同步边带冷却运动模式的各方面，以及控制、协调和/或执行在执行冷却(例如，协同冷却)的同时发生的量子计算或操作的各方面。处理器710可以包括单组或多组处理器或多核处理器。此外，处理器710可以被实现为集成处理系统和/或分布式处理系统。处理器710可以包括中央处理单元(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710可指代计算机设备700的通用处理器，其还可包含附加处理器710以执行更多特定功能。

在一个示例中，计算机设备700可以包括存储器720，存储器720用于存储可由处理器710执行的用于执行这里描述的功能的指令。在一种实施方式中，例如，存储器720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720可包含用以执行下文结合图8描述的方法800的各方面的指令。如同处理器710，存储器720可指代计算机装置700的一般存储器，其还可包含附加存储器720以存储用于更多特定功能的指令和/或数据。

此外，计算机设备700可包括通信组件730，通信组件730用于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730可执行计算机设备700上的组件之间以及计算机设备700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700的设备)之间的通信。例如，通信组件730可包括一个或多个总线，并且可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700可以包括数据存储740，数据存储740可以是硬件和/或软件的任何适当组合，用于大容量存储结合本文描述的实施方式采用的信息、数据库和程序。例如，数据存储740可以是用于操作系统760(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740可以包括存储器720。

计算机设备700还可包括用户接口组件750，用户接口组件750可操作以从计算机设备700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750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、或者它们的任意组合。此外，用户接口组件750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、或者它们的任何组合。

在一个实施方式中，用户接口组件750可以发送和/或接收与操作系统760的操作相对应的消息。另外，处理器710可以执行操作系统760和/或应用或程序，并且存储器720或数据存储740可以存储它们。

当计算机设备700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750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700远程交互。

图8是说明根据本公开的各方面的用于冷却具有多个离子的离子链的方法800的示例的流程图。在一个方面，方法800可在诸如上文描述的计算机设备700的计算机系统(例如，作为计算机系统的操作的一部分)中执行，其中，例如处理器710、存储器720、数据存储740和/或操作系统760可用于执行或控制方法800的功能。类似地，方法800的功能可由诸如下面结合图9A和图9B更详细地描述的QIP系统900及其组件(例如，光学控制器920及其子组件)的QIP系统的一个或多个组件来执行或控制。

在810，方法800包括针对离子链中的每个离子生成边带冷却激光束。

在820，方法800包括使用相应的边带冷却激光束同时冷却与所述离子链中的离子相关联的两个或更多个运动模式，直到所述两个或更多个运动模式中的每一个达到运动基态。

在830，方法800包括在所述两个或更多个运动模式达到所述运动基态后，使用所述离子链执行量子计算。

在方法800的另一方面，同时冷却两个或更多个运动模式包括重复以下序列多次：使用再泵浦激光束将离子重置到较低能量状态；使运动依赖性激光与所生成的边带冷却激光束相互作用，以将运动量子从离子的较低能量状态转移到离子的较高能量状态；以及将离子再次重置到较低能量状态。该序列被重复的次数是预定次数，该预定次数确保全部所述两个或更多个运动模式达到运动基态。使用再泵浦激光束将离子重置到较低能量状态可包括使用相应的再泵浦激光束将每个离子重置到较低能量状态，以实现离子的异步重置。

在方法800的另一方面，所述两个或更多个运动模式的数量与离子链中离子的数量成比例。

在方法800的另一方面，所述两个或更多个运动模式中的每个运动模式在离子链中具有相应的离子，用于使用对应的边带冷却激光束进行边带冷却。

在方法800的另一方面，所述两个或更多个运动模式包括相对于离子链的纵向或轴向模式、相对于离子链的横向或径向模式、或其组合。

在方法800的另一方面，离子链中的离子包括两个或更多个种类的离子，其中一个种类用于协同冷却，使用用于协同冷却的种类的离子来执行与离子链中的离子相关联的所述两个或更多个运动模式的同时冷却，并且在进行同时冷却时，使用剩余种类中的一种或多种的离子进行量子计算。

在方法800的另一方面，使用两个或更多个离子和两个或更多个边带冷却激光束对所述两个或更多个运动模式中的至少一个进行边带冷却。

图9A是说明根据本公开的各方面的QIP系统900的框图。QIP系统900也可称为量子计算系统、计算机设备、捕获离子量子计算机等。在一个方面，QIP系统900可对应于图7中的计算机设备700的量子计算机实施方式的多个部分。

QIP系统900可以包括源960，源960向具有离子阱970的室950提供原子种类(例如，中性原子通量)，离子阱670捕获被光学控制器920电离(例如，光电离)的原子种类(例如，参见图9B)。光学控制器920中的光源930(例如，产生光束的激光器)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920中的成像系统940中操作的图像处理算法监测和跟踪，并且/或者执行本公开中描述的光学冷却功能，包括运动模式的多普勒冷却和同时或同步边带冷却。在一个方面，光源930可与光学控制器920分开实施。

成像系统940可以包括高分辨率成像器(例如，CCD相机)，用于在原子离子被提供给离子阱时或在原子离子被提供给离子阱970之后监测原子离子。在一个方面，成像系统940可与光学控制器920分开实施，然而，使用图像处理算法利用荧光检测、识别和标记原子离子可能需要与光学控制器920协调。

QIP系统900还可以包括算法组件910，算法组件910可以与QIP系统900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910可以向QIP系统900的各种组件(例如，向光学控制器920)提供指令，以能够实施量子算法或量子操作。在一个示例中，如上文结合同时或同步边带冷却所描述的，如果正在应用协同冷却技术，则算法组件910可以在边带冷却完成之后或者在边带冷却期间执行、协调和/或指示执行量子计算或操作。

图9B示出光学控制器920的至少一部分。在该示例中，光学控制器920可以包括光束控制器921、光源930和成像系统940。如虚线所示，光源930和成像系统940中的一方或双方可以与光学控制器920分开实施，但与光学控制器920通信。成像系统940包括CCD941(或类似的成像器或相机)和图像处理算法组件942。光源930包括调制器925和多个激光源935a、...、935b，它们可用于上述功能中的一个或多个(例如，产生用于冷却操作的激光或门光束)。

光束控制器921被配置为执行本文所述的各个方面，用于相干地控制由控制场调解的原子量子位上的量子相位，如应用于量子逻辑门，和/或与量子位之间的广义相互作用有关。光束控制器921可以包括多普勒冷却组件922，多普勒冷却组件922被配置为使用激光束来执行离子链(例如，离子阱970中的晶体或晶格中的离子)的运动模式的冷却的第一阶段。光束控制器921还可以包括边带冷却组件923，边带冷却组件923具有同时运动模式冷却组件924，以执行本文描述的用于离子链的运动模式的冷却的第二阶段的各个方面，其中冷却的第二阶段涉及运动模式的同时或同步(例如，非顺序的)冷却。在一个实施方式中，多普勒冷却组件922和边带冷却组件923可以是相同组件的一部分并且/或者可以与光束控制器921分开实施与光束控制器921通信。

光学控制器920的各种组件可以单独操作或组合操作，以执行本公开中描述的各种功能，例如，图8中的方法800。此外，光学控制器920的各种组件可以与QIP系统900的一个或多个组件一起操作，以执行本公开中描述的各种功能，例如，图8中的方法800。

虽然已经根据所示的实现方式提供了本公开，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各种修改。

Claims

1.一种用于冷却具有多个离子的离子链的方法，所述方法包括：

针对所述离子链中的每个离子生成边带冷却激光束；

使用相应的边带冷却激光束同时冷却与所述离子链中的离子相关联的两个或更多个运动模式，直到所述两个或更多个运动模式中的每一个达到运动基态；以及

在所述两个或更多个运动模式达到所述运动基态后，使用所述离子链执行量子计算。

2.根据权利要求1所述的方法，其中同时冷却两个或更多个运动模式包括重复以下序列多次：

使用再泵浦激光束将所述离子重置到较低能量状态；

使运动依赖性激光与所生成的边带冷却激光束相互作用，以将运动量子从所述离子的所述较低能量状态转移到所述离子的较高能量状态；以及

将所述离子再次重置到所述较低能量状态。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述序列被重复的次数是预定次数，所述预定次数确保全部所述两个或更多个运动模式达到所述运动基态。

4.根据权利要求2所述的方法，其中使用再泵浦激光束将所述离子重置到较低能量状态包括使用相应的再泵浦激光束将所述离子中的每一个重置到较低能量状态，以能够异步重置所述离子。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述两个或更多个运动模式的数量与所述离子链中离子的数量成比例。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述两个或更多个运动模式中的每一个在所述离子链中具有相应的离子，用于使用对应的边带冷却激光束进行边带冷却。

7.根据权利要求1所述的方法，其中所述两个或更多个运动模式包括相对于所述离子链的纵向或轴向模式、相对于所述离子链的横向或径向模式、或它们的组合。

8.根据权利要求1所述的方法，其中：

所述离子链中的所述离子包括两个或更多个种类的离子，其中所述种类中的一种用于协同冷却，

使用用于协同冷却的种类的离子来执行与所述离子链中的所述离子相关联的所述两个或更多个运动模式的同时冷却，并且

在进行所述同时冷却时，使用剩余种类中的一种或多种执行所述量子计算。

9.根据权利要求1所述的方法，其中使用两个或更多个离子和所述边带冷却激光束中的两个或更多个对所述两个或更多个运动模式中的至少一个进行边带冷却。

10.一种用于冷却具有多个离子的离子链的量子信息处理QIP系统，所述系统包括：

一个或更多个光源，其被配置为针对所述离子链中的每个离子生成边带冷却激光束；

光束控制器，其被配置为使用相应的边带冷却激光束同时冷却与所述离子链中的所述离子相关联的两个或更多个运动模式，直到所述两个或更多个运动模式中的每一个达到运动基态；以及

算法组件，其被配置为在所述两个或更多个运动模式达到所述运动基态后，使用所述离子链执行量子计算。

11.根据权利要求10所述的量子信息处理QIP系统，其中被配置为同时冷却两个或更多个运动模式的所述光束控制器进一步被配置为重复以下序列多次：

使用再泵浦激光束将所述离子重置到较低能量状态；

将所述离子再次重置到所述较低能量状态。

12.根据权利要求11所述的量子信息处理QIP系统，其中所述序列被重复的次数是预定次数，所述预定次数确保全部所述两个或更多个运动模式达到所述运动基态。

13.根据权利要求11所述的量子信息处理QIP系统，其中使用再泵浦激光束将所述离子重置到较低能量状态包括使用相应的再泵浦激光束将所述离子中的每一个重置到较低能量状态，以能够异步重置所述离子。

14.根据权利要求10所述的量子信息处理QIP系统，其中所述两个或更多个运动模式的数量与所述离子链中离子的数量成比例。

15.根据权利要求10所述的量子信息处理QIP系统，其中所述两个或更多个运动模式中的每一个在所述离子链中具有相应的离子，用于使用对应的边带冷却激光束进行边带冷却。

16.根据权利要求10所述的量子信息处理QIP系统，其中所述两个或更多个运动模式包括相对于所述离子链的纵向或轴向模式、相对于所述离子链的横向或径向模式、或者其它们的组合。

17.根据权利要求10所述的量子信息处理QIP系统，其中：

所述光束控制器被配置为通过使用用于协同冷却的种类的离子同时冷却与所述离子链中的所述离子相关联的所述两个或更多个运动模式，并且

所述算法组件被配置为在进行所述同时冷却时，使用剩余种类中的一种或多种执行所述量子计算。

18.根据权利要求10所述的量子信息处理QIP系统，其中使用两个或更多个离子和所述边带冷却激光束中的两个或更多个对所述两个或更多个运动模式中的至少一个进行边带冷却。

19.一种用于冷却具有多个离子的离子链的量子信息处理QIP设备，所述设备包括：

用于针对所述离子链中的每个离子生成边带冷却激光束的装置；

用于使用相应的边带冷却激光束同时冷却与所述离子链中的所述离子相关联的两个或更多个运动模式，直到所述两个或更多个运动模式中的每一个达到运动基态的装置；以及

用于在所述两个或更多个运动模式达到所述运动基态后，使用所述离子链执行量子计算的装置。

20.根据权利要求19所述的量子信息处理QIP设备，其中：

使用用于协同冷却的种类的离子对与所述离子链中的所述离子相关联的所述两个或更多个运动模式进行同时冷却，并且

21.一种存储代码的计算机可读存储介质，所述代码具有可由处理器执行的用于冷却具有多个离子的离子链的指令，所述代码包括：

用于针对所述离子链中的每个离子生成边带冷却激光束的代码；

用于使用相应的边带冷却激光束同时冷却与所述离子链中的所述离子相关联的两个或更多个运动模式，直到所述两个或更多个运动模式中的每一个达到运动基态的代码；以及

用于在所述两个或更多个运动模式达到所述运动基态后，使用所述离子链执行量子计算的代码。

22.根据权利要求21所述的计算机可读存储介质，其中：