CN113169509A - 激光腔重复率调谐及高带宽稳定化 - Google Patents
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Abstract
本公开描述了脉冲激光器的激光腔重复率调谐和高带宽稳定化的各方面。在一个方面，描述了一种输出光耦合器，其包括腔输出耦合器反射镜、耦合到所述腔输出耦合器反射镜的压电式致动器、所述腔输出耦合器反射镜和所述压电式致动器位于其中的锁定组件、以及耦合到所述锁定组件的一个或多个部件。所述部件被配置成通过利用所述腔输出耦合器反射镜调整所述锁定组件的至少一个位置来提供用于调谐所述脉冲激光器的频率梳谱(例如，调谐重复率)的多个位置自由度。还描述了一种调整脉冲激光器中的输出光耦合器的方法。这些技术可用于不同的应用，包括量子信息处理。
Description
相关申请的交叉引用
本专利申请要求2019年7月22日提交的名称为“LASER CAVITY REPETITION RATETUNING AND HIGH-BANDWIDTH STABILIZATION”的美国非临时专利申请No.16/518,714和2018年7月23日提交的名称为“LASER CAVITY REPETITION RATE TUNING AND HIGH-BANDWIDTH STABILIZATION”的美国临时专利申请No.62/702,096的优选权，这两个申请的内容通过整体引用合并于此。
政府许可
本发明是在由IARPA授予的W911NF1610082号奖金的政府支持下完成的。政府在本发明中具有一定的权利。
技术领域
本公开的各方面总体上涉及用于高功率激光器的输出耦合器组件，更具体地说，涉及能够实现激光腔重复率调谐和高带宽稳定化的输出耦合器组件。
背景技术
使用囚禁原子离子制成的量子位或qubit是已经实现的通用的、完全可编程的机器的量子信息处理(QIP)方法之一。个别和全局可寻址的量子位跃迁可以由锁模激光器发射的脉冲序列产生的频率梳驱动。梳状线在频率空间中的位置对于有效地驱动这些跃迁，同时消除任何不需要的跃迁以及最小化系统性是重要的。频率梳的相位噪声能直接影响量子位的保真度，需要加以抑制。因此，期望控制、调谐和/或稳定频率梳中的齿的特性。
通常服务于半导体行业的工业激光器是最先进、可靠、稳定的可用紫外线脉冲激光器，这受益于该行业的高水平投资。然而，半导体工业通常不需要具有上述特征类型的激光器，特别是达到需要类似水平的控制、调谐和/或稳定的量子计算或其他应用所需的高精度水平。
因此，需要能够改善用于量子信息处理和对激光器产生的频率梳的特征敏感的其他应用的激光器的特性的设备或系统。
发明内容
下面给出一个或多个方面的简化概述，以便提供对这些方面的基本理解。该概述不是所有预期方面的详尽概述，并且既不旨在标识所有方面的关键或重要元素，也不旨在解释任何或所有方面的范围。其目的是以简化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。
通过利用可商购的激光器的架构，本公开提出了使用输出耦合器组件，该输出耦合器组件能够实现跨越与原子量子位(qubit)物理相关的范围的频率梳的可调谐性，以便最小化(或最大化)非谐振耦合和系统性，扫描频率梳以进行相关测量(例如，光谱学)，稳定频率梳，并抑制频率梳上的相位噪声。
输出耦合器组件配置为包括具有必要自由度(DOFs)的安装结构，其中安装结构的各个部件是压电(或马达)驱动以进行外部控制，以允许原位操作和优化频率梳。作为输出耦合器组件的一部分的高带宽锁定组件可用于紧密锁定频率梳和抑制相位噪声。高带宽锁定组件的壳体围住并加压由顺应性材料制成的机械垫圈(例如，橡胶O形环)之间的反射镜-压电致动器组合。机械垫圈(例如，橡胶O形环)机械地将反射镜和压电致动器与周围环境振动解耦，否则周围的环境振动会通过反射镜安装件平移。通过向机械垫圈施加一定量的压力，某些谐振可以完全被阻尼，同时减少其他谐振的增益，并增加其频率。
本公开的一个方面描述了一种用于脉冲激光器(例如，锁模激光器)的输出光耦合器，该输出光耦合器包括：腔输出耦合器反射镜；压电式致动器，其耦合到所述腔输出耦合器反射镜；锁定组件，所述腔输出耦合器反射镜和所述压电式致动器位于所述锁定组件中；以及一个或多个部件，其耦合到所述锁定组件。所述脉冲激光器可用于不同的应用，包括与量子信息处理或量子计算相关的多种应用。所述一个或多个部件并被配置为通过利用所述腔输出耦合器反射镜调整所述锁定组件的至少一个位置来提供用于调谐所述脉冲激光器的频率梳谱的多个位置自由度。
本公开的另一个方面描述了一种调整脉冲激光器中的输出光耦合器的方法，该方法包括：针对囚禁离子量子位检测所述脉冲激光器的频率梳谱的变化；基于检测到的变化生成控制信号；和将所述控制信号提供给所述输出光耦合器，其中所述输出光耦合器具有：锁定组件，其内部具有腔输出耦合器反射镜和压电式致动器；和一或多个部件，其耦合至所述锁定组件。所述脉冲激光器可用于不同的应用，包括与量子信息处理或量子计算相关的多种应用。所述方法进一步包括基于所述控制信号，使用所述一个或多个部件来调整所述锁定组件的一个或多个位置自由度，所述调整使得能够调谐所述脉冲激光器的所述频率梳谱。
本文描述的每种技术可以在量子信息处理(QIP)系统或装置中实现，并且可以作为计算机可读介质的一部分来实现。
附图说明
附图仅示出一些实施方式，因此不应认为是对范围的限制。
图1是示出根据本公开的各方面的在激光腔中的输出光耦合器的示例的图示。
图2是示出根据本公开的各方面的输出光耦合器的等距视图的图示。
图3是示出根据本公开的各方面的输出光耦合器的高带宽锁定组件的等距视图的图示。
图4A和图4B是分别示出根据本公开的各方面的图3的高带宽锁定组件的侧视图和截面图的图示。
图5是示出根据本公开的各方面的使用锁模激光器的基于囚禁离子的QIP系统的示例的框图。
图6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7是示出根据本公开的各方面的用于调谐量子计算操作的激光腔重复率的方法的示例的流程图。
具体实施方式
下面结合附图阐述的详细描述旨在作为对各种配置的描述，而不意图代表可以实践本文所描述的概念的仅有配置。该详细描述包括具体细节，以提供对各种概念的透彻理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践这些概念。在某些情况下，以框图的形式示出众所周知的部件，以避免混淆这些概念。
工业激光器或其他高端激光器可被用作可靠且稳定的紫外线(UV)脉冲激光器(例如，锁模激光器)。在一个示例中，激光器可以产生红外(IR)光谱中的光，并使用倍频(对可见光谱)，然后执行和频(sum-frequency)生成(基本上是三倍频)，从而产生UV。本文所描述的技术可应用于包括产生红外、可见和/或紫外光谱中的光的所有类型的激光器。然而，这些激光器通常不被配置为提供在例如囚禁离子量子计算机或量子信息处理(QIP)系统中执行的量子计算应用所需的那种激光器特性和高精度水平。例如，当压力变化，或者温度变化时，激光器的有效腔长度也变化。在量子算法或模拟中实现的量子门的保真度取决于具有调谐的、稳定的激光输出的能力，由于这些环境变化，传统的工业激光器可能无法提供这种输出。因此，对于量子计算应用来讲，有必要快速跟踪这些变化，并提供某种形式的反馈以稳定激光器的输出。
工业激光器中可能出现的另一个问题是机械振动和/或谐振的耦合，这可能会限制脉冲激光器有效用于量子计算应用所需的工作带宽。
解决上述问题的一种方法是使用具有换能器或其他类似设备的机械组件，用其来控制激光器的腔内的相关间距，以便更好地控制激光器的重复率或rep率，从而更好地控制脉冲激光器的频域中的频率梳(齿)。在锁模激光器中，重复率可指激光器在特定时间单位内产生的脉冲数。锁模用于通过在激光器的谐振腔的纵模之间引入固定的相位关系，从而产生持续时间极短的皮秒或飞秒量级的光脉冲，同时这些模式之间的相长干涉会使得产生一系列的脉冲。当这种情况发生时，激光器被称为“锁模”(或“锁相”)。一种可用作锁模激光器的激光器可以是固态激光器，例如基于晶体的Nd:YAG(掺钕钇铝石榴石)激光器，简称为YAG激光器或Tk:Sapp(掺钛蓝宝石)激光器，或者使用掺铒光纤作为增益介质的基于光纤的激光器。
此外，机械组件可被配置成通过机械地使周围的环境振动解耦和/或使某些谐振衰减，同时减小增益并增加其他谐振的频率来提供高带宽操作。
下面结合图1-7提供关于本文所描述的用于激光腔重复率调谐和高带宽稳定化的各种技术的附加细节。
图1是示出根据本公开的各方面的位于激光腔120内的输出光耦合器130的示例的图示100。在图示100中，示出了激光器110内部的局部视图以说明激光腔120和输出光耦合器130在激光腔120内的位置。图示100示出去除了激光器110的顶部的部分，以说明激光器110的内腔。激光器110可以是脉冲激光器(例如，锁模或锁相激光器)，如YAG激光器、Tk:Sapp激光器或基于光纤的激光器。激光器110可用于产生用于不同应用的一个或多个光束，包括但不限于量子计算操作或量子信息处理，因此，激光器110的输出可用于利用由激光器110发射的一系列的脉冲产生的频率梳来驱动个别和全局可寻址量子位跃迁。如上所述，梳状线在频率空间中的位置对于有效地驱动这些跃迁，同时消除任何不需要的跃迁以及最小化系统性是重要的。频率梳的相位噪声能直接影响量子位的保真度，需要加以抑制。
图示100中的输出光耦合器130的位置是以示例方式提供而不是以限制方式提供。因此，输出光耦合器130可以被放置在激光器110内的适于将由光耦合器130产生的光束耦合到激光器110的输出的位置。此外，激光腔120旨在说明激光器110的内部，并且可以包括除输出光耦合器130之外的更多的部件。例如，作为说明，激光腔120可以包括激光腔部件115，该激光腔部件115具有一个或多个光学元件和/或一个或多个光电元件以产生至少一个光束116，可以使用其他光学元件1l7a和1l7b(例如，反射镜或反射面)将光束116至少部分地耦合到光耦合器130。光耦合器130可以使用光束116来产生耦合到激光器110的输出的光束。为了本公开的目的，腔长度(或腔的长度)无需表示激光器110或激光腔120的物理尺寸，而是可以指激光腔120内的光路。腔长度也可被称为光学腔、谐振腔或光学谐振器，并且包括形成用于光波的驻波腔谐振器的反射镜和/或其他光学元件的布置。因此，腔长度可以至少部分地由输出光耦合器130(或其中的部件)的位置来定义，并且因此可以通过如本公开所述对输出光耦合器130(或其中的部件)进行调谐来实现对腔长度可能需要的任何调整。
图2示出了图示200，其示出诸如图1中的输出光耦合器130的输出光耦合器的等距视图。在一个实施方式中，输出光耦合器130的安装结构可包括基板210、线性台220、台连接器板230、倾斜反射镜安装件240、旋转台250、压电连接器台260、压电式换能器(压电体)270和腔输出耦合器反射镜280中的一个或多个。
基板210是适于激光器的板，以将输出光耦合器130机械地且刚性地耦合或连接到激光器(例如，激光器110)。即，基板210物理地附接到激光腔120内部的平坦部分。线性台220提供沿一个或多个方向(例如，侧向平面、水平平面或垂直平面)的长且精确的行进，从而允许针对目标应用对频率梳谱进行完全控制。例如，线性台220可以被配置成为目标应用提供一个或两个方向上的水平平移。此外，在一些实施方式中，线性台220可以被配置成为目标应用提供一个或两个方向上的水平平移、垂直平移或其组合。在一些实例中，当目标应用是量子信息处理时，可针对一个囚禁离子量子位(或多个囚禁离子量子位)控制频率梳谱。台连接器板230将倾斜反射镜安装件240和旋转台250安装到线性台220。在一些实施方式中，倾斜反射镜安装件240也可以实现多个自由度(DOFs)的移动。这种布置或配置可以实现原位优化所需的所有位置DOFs，包括频率扫描、以及功率下垂(power droop)和漂移的优化。例如，腔输出耦合器反射镜280可以线性平移、旋转和/或倾斜以获得最佳位置。在一些实施方式中，所支持的DOFs和/或旋转的数目可以小于图2的图示200中的示例中的数目，以便提供更鲁棒和/或稳定的操作。在这种情况下，安装结构可以包括比图2中描述的部件更少的部件，但是足以实现所需的适当的DOFs和/或旋转。在一个示例中，如果输出光耦合器130对旋转不敏感，则可以省略旋转台250。在另一个示例中，如果输出光耦合器130对倾斜不敏感，则可以省略倾斜反射镜安装件240。
压电连接器台260安装到上述结构上，并且允许压电体270和腔输出耦合器反射镜280的非原位安装，其可以作为下文更详细描述的高带宽锁定组件的一部分来安装(参见例如图4B)。
线性台220、倾斜反射镜安装件240和旋转台250中的每一个都可以使用压电式致动器或电机驱动式致动器来实现。因此，线性台220、倾斜反射镜安装件240和旋转台250中的每一个都可以被提供一个或多个控制信号以控制各自的位置自由度，其中各个控制信号可以共同提供腔输出耦合器反射镜280的适当定位以实现激光腔重复率调谐。
图3示出了图示300，其示出了与输出光耦合器(如图1中的输出光耦合器130)一起使用的高带宽锁定组件的等距视图。在图示300的示例中描述的锁定组件包括加压盖310、轴320和安装板330。盖310和轴320可以形成具有顶部(例如，盖310)和底部(例如，轴320)的壳体。
在一些实施方式中，安装板330可与轴320形成为一体以形成锁定组件的壳体的单个部件。
盖310可以是螺纹盖，轴320可以是螺纹轴，并且可以通过将螺纹盖拧紧到螺纹轴上从而将它们保持在一起。
盖310和轴320可以附加地或可替代地通过一组螺钉、一组螺钉和螺栓、楔形结构或适于将两个或多个结构部件机械地保持在一起的任何其他类型的技术保持在一起。
在一个示例中，盖310和轴320可以至少部分地由黄铜或其他类似材料制成，而安装板330可以至少部分地由铝或其他类似材料制成。这些材料可被选择为能够在高真空或超高真空条件或系统或其他要求苛刻的操作环境下工作。因此，用于制造盖310、轴320和安装板330的材料可以是具有低排气的材料。一些金属和塑料适用于高真空和超高真空系统。
盖310和轴320一起形成或提供具有封闭空间的壳体，结合图2中的图示200描述的上述压电体270和/或腔输出耦合气反射镜280可以在该封闭空间内定位。这实现了锁定组件的受控压力和相应的频率响应。
图4A和4B示出图示400a和400b，其分别示出图3中的图示300的高带宽锁定组件的侧视图和截面图。例如，图示400a简单地示出了指示出穿过锁定组件的中部的横截面视图A-A的侧视图，其细节在图示400b中进行了描述，其中示出了盖310、轴320和安装板330的布置。如上所述，在一些实施方式中，轴320和安装板330可以集成到单个部件或结构中。
如图示400b所示，盖310可以定位(例如，拧紧)到轴320上，以向第一或上部顺应性材料(例如O形环)410提供压力，该材料被定位或放置在腔输出耦合器反射镜280的顶部或表面与盖310的内部或表面之间。盖310的拧紧还对定位或放置在安装板330的顶部或表面与压电体270的下部或表面之间的第二或下部顺应性材料(例如，诸如O形环的机械垫圈)420提供压力。盖310和安装板330可被配置成具有凹槽，在该凹槽内可固定顺应性材料(例如，诸如O形环的机械垫圈)。这些凹槽可以具有圆形配置以与这些部件的环形形状相匹配(参见例如图3)，但是本公开不必限于此，并且凹槽可以具有除圆形之外的不同配置。此外，可以使用多个凹槽来容纳多个顺应性材料。
如上所述，盖310可以是螺纹盖，轴320可以是螺纹轴，并且可以通过将盖310拧到轴320上来将它们保持在一起。在这样的示例中，如图示400a和400b所示，盖310可以拧到轴320的外部。在其他示例中，盖310可以拧到轴320的内部。
可以选择图4A和4B中所示的不同部件或结构所用的材料，使得它们能够在高真空或超高真空条件或系统下工作。因此，盖310、轴320、安装板330、顺应性材料410和420、腔输出耦合器反射镜280和/或压电体270优选地由低排气材料制成。
使用盖310和轴320将锁定组件加压至适当压力，这使得能通过减少固有谐振的增益并增加其频率来实现锁定组件的部分高频行为。这种对压力的不敏感性对于锁定组件和输出光耦合器130的可制造性和多功能性是有利的。因此，通常，锁定组件对大范围的压力不敏感且在该压力下工作，并且可以通过宽带传递函数测量来确定最佳压力，例如使用迈克尔逊干涉仪或在重复率锁定装置中添加扫频正弦噪声源。
图示400b中示出的压电体270可以是在中心具有开口的环形压电式致动器。盖310也可以在中心具有开口或透明介质，并且腔输出耦合器反射镜280和安装板330也可以如此，以使入射到锁定组件(从而入射到输出光耦合器130)上的光的至少一部分能够从激光器中耦合出来。
图5示出了根据本公开的各方面的QIP系统500的示例。QIP系统500还可以被称为量子计算系统、量子计算网络、计算机设备、囚禁离子量子计算机等。在一个方面，QIP系统500可用于实现或执行量子计算操作、算法或模拟，对于这些操作、算法或模拟，所实现的量子门的保真度取决于将调谐后的稳定的激光输出应用于例如用作量子位的囚禁离子的能力。QIP系统500可以对应于图6中的计算机设备600的量子计算机实现。
QIP系统500可包括向室550提供原子种类的源560，该室550具有离子阱570，该离子阱570囚禁被光学控制器520电离的原子种类(例如，囚禁离子)。光学控制器520中的光源530可包括一个或多个激光源，该激光源可用于原子种类的电离、原子离子的控制(例如，相位控制)，用于可由在光学控制器520中的成像系统540中操作的图像处理算法监视和跟踪的原子离子的荧光，和/或用于包括上述与激光腔重复率调谐和高带宽稳定化相关的那些方面的其它方面。
在一个实施方式中，光学控制器520中的光源530可以包括一个或多个激光器。例如，光源530可以包括锁模激光器535(或某种形式的脉冲激光器)和锁模激光器控制器537，以控制锁模激光器535。锁模激光器535可以具有输出光耦合器，例如上文结合图1和图2所述的耦合器，其继而可以具有高频锁定组件，以锁定腔输出耦合器反射镜和压电体，例如上文结合图3、图4A和图4B所述的组件。锁模激光器控制器537可配置为执行检测和反馈控制，以确保锁模激光器535产生的频率梳谱适合于量子计算操作。或者，锁模激光器535和锁模激光器控制器537可以与光源530中的其他光源分开实现。锁模激光器控制器537可包括输出光耦合器控制器539，以生成控制输出光控制器的各个部件或元件的信号(例如，控制操作自由度)。此外，频率梳谱的检测和反馈控制可以由输出光耦合器控制器539附加地或替代地执行。
成像系统540可以包括高分辨率成像仪(例如CCD照相机)，用于在原子离子被提供给离子阱570时(例如，用于计数)或在原子离子被提供给离子阱570之后(例如，用于监视原子离子状态)监视原子离子。在一方面，成像系统540可以与光学控制器520分开实现，然而，使用图像处理算法来检测、识别和标记原子离子的荧光可能需要与光学控制器520协调。
QIP系统500还可以包括算法部件510，该算法部件510可以与QIP系统500的其他部分(未示出)一起操作，以执行利用上述实现方式的量子算法(例如，量子傅里叶变换(QFT)、包括量子门序列、量子模拟的量子电路)。算法部件510可以向QIP系统500的各个部件(例如，向光学控制器520)提供指令，以使得能够实现量子电路或其等同物。也就是说，算法部件510可以允许使用例如离子阱570中的囚禁离子作为量子位将不同的计算基元映射到物理表示。
现在参照图6，其示出了根据本公开的各方面的示例计算机设备600。计算机设备600例如可以表示单个计算设备、多个计算设备、分布式计算系统、或者计算网络的至少一部分。计算机设备600可以被配置为量子计算机、经典计算机或量子和经典计算功能的组合。
在一个示例中，计算机设备600可以包括处理器610，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。处理器610可以包括单组或多组处理器或多核处理器。此外，处理器610可以实现为集成处理系统和/或分布式处理系统。处理器610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)或这些类型处理器的组合。在一个方面，处理器610可以使用阱(例如，离子阱570)中的囚禁离子的链或线性晶体来实现。
在一个示例中，计算机设备600可以包括存储器620，用于储存可由处理器610执行的用于实行本文描述的功能的指令。在一种实现方式中，例如，存储器620可对应于储存代码或指令以执行本文所述的一个或多个功能或操作的计算机可读存储介质。在一个示例中，存储器620可以包括一个或多个存储器量子位(memory qubit)。
此外，计算机设备600可以包括通信部件630，该通信部件630用于利用本文所述的硬件、软件和服务与一方或多方建立和维护通信。通信部件630可以承载计算机设备600上的部件之间、以及计算机设备600与外部设备之间的通信，该外部设备例如是位于通信网络上的设备和/或串行或本地连接到计算机设备600的设备。例如，通信部件630可以包括一个或多个总线，并且可以进一步包括分别与发射器和接收器相关联的发射链部件和接收链部件，可操作用于与外部设备接口。
此外，计算机设备600可以包括数据存储(data store)640，其可以是硬件和/或软件的任何适当组合，其提供了与本文所描述的实现方式相关的信息、数据库和程序的大容量存储。例如，数据存储640可以是用于操作系统660(例如，经典OS或量子OS)的数据存储库。在一个实现方式中，数据存储940可以包括存储器620。
计算机设备600还可以包括用户接口部件650，用户接口部件650可操作来接收来自计算机设备600的用户的输入，并且还可操作来生成用于呈现给用户或者(直接或间接)提供给不同的系统的输出。用户接口部件650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、触控式显示器、数字化仪、导航键、功能键、麦克风、语音识别部件、能够从用户接收输入的任何其他机制或其任何组合。此外，用户接口部件650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意组合。
在一个实现方式中，用户接口部件650可以发送和/或接收与操作系统660的操作相对应的消息。另外，处理器610可以执行操作系统660和/或应用或程序，并且存储器620或数据存储640可以存储它们。
当计算机设备600实现为基于云的基础架构解决方案的一部分时，用户接口部件650可用于允许基于云的基础架构解决方案的用户与计算机设备600远程交互。
计算机设备600的各方面可以与本文所述的输出光耦合器和高频锁定组件结合来实现和/或用示出的一个或多个部件或结构来实现。
图7是示出用于调整脉冲激光器中的输出光耦合器的方法700的示例的流程图。方法700可以由上述QIP系统500或计算机设备600执行。方法700可以与不同的应用一起使用，包括但不限于量子信息处理。
在框710处，方法700包括针对囚禁离子量子位检测脉冲激光器的频率梳谱的变化。在一个示例中，光学控制器520和/或锁模激光器控制器537可以监视和检测脉冲激光器的输出中的变动，这将需要对激光腔的操作进行校正。
在框720处，方法700包括基于检测到的变化来生成控制信号。在一个示例中，光学控制器520和/或锁模激光器控制器537可以生成一个或多个反馈控制信号，以提供给锁模激光器535进行调整。
在框730处，方法700包括向输出光耦合器提供控制信号，输出光耦合器具有：内部具有腔输出耦合器反射镜和压电式致动器的锁定组件；以及耦合到锁定组件的一个或多个部件(例如，参见图2)。
在框740处，方法700包括基于控制信号，使用所述一个或多个部件来调整锁定组件的一个或多个位置自由度，其中该调整使得能够对脉冲激光器的频率梳谱进行调谐。
在方法700的一个方面，多个部件包括具有致动器的线性台，其被配置为提供沿着脉冲激光器的腔方向的长度的纵向行进，并且使用多个部件中的一个或多个部件来调整锁定组件的一个或多个位置自由度包括调整线性台。
在方法700的一个方面，多个部件包括具有致动器的旋转台，其被配置为提供锁定组件的角度旋转，并且使用多个部件中的一个或多个部件来调整锁定组件的一个或多个位置自由度包括调整旋转台。
在方法700的一个方面，多个部件包括具有致动器的倾斜反射镜安装件，其被配置为向锁定组件提供角度倾斜，并且使用多个部件中的一个或多个部件来调整锁定组件的一个或多个位置自由度包括调整倾斜反射镜安装件。
在方法700的另一个方面，一个或多个部件包括：线性台，其被配置为提供一个方向上的垂直平移、一个或两个方向上的水平平移、或其组合；倾斜反射镜安装件，其被配置为提供一个方向、两个方向或三个方向上的倾斜；旋转台，其被配置为旋转；或它们的组合(例如，参见图2)，并且其中使用一个或多个部件来调整锁定组件的一个或多个位置自由度包括调整线性台、倾斜反射镜安装件、旋转镜台或它们的组合。
方法700可结合各种应用来使用。例如，通过对腔长度的调整可调谐锁模激光器的重复率，以实现应用中的目标特征，例如具有抑制AC斯塔克位移(AC Stark shift)的量子位操纵。在另一个示例中，腔长度的长期稳定对目标应用的性能例如量子位操纵的相干时间可能至关重要。在又一示例中，腔长度的稳定使诸如来自其它梳齿的非谐振跃迁稳定，以便可以对它们进行校准和/或校正。在又一示例中，对腔长度的调整使诸如来自其它梳齿的非谐振跃迁稳定并使其定位在频率空间中，以便它们可以被最小化、校准和/或校正。在又一示例中，腔长度的稳定使所有梳齿(与前馈相反)稳定，从而允许使用对于一些目标应用至关重要的不同的梳齿，例如对相位不敏感的量子位操纵。此外，通过对腔长度的调整和稳定，使得能够通过例如实现远距离模块之间的相干量子位操纵来将多个激光器锁定在一起，以按比例扩大模块化量子计算机。
因此，在方法700的另一个方面，使用一个或多个部件调整锁定组件的一个或多个位置自由度包括调整与输出光耦合器相关联的腔长度，用于调谐脉冲激光器的重复率从而实现目标量子处理应用中的特征，包括具有抑制AC斯塔克位移的量子位操纵。
在方法700的另一个方面，使用一个或多个部件调整锁定组件的一个或多个位置自由度包括调整与输出光耦合器相关联的腔长度，用于使脉冲激光器的重复率稳定从而实现目标量子处理应用中的特征，包括使量子位操纵的相干时间稳定。
在方法700的另一个方面，使用一个或多个部件调整锁定组件的一个或多个位置自由度包括调整与输出光耦合器相关联的腔长度，以稳定来自频率梳谱中梳齿的非谐振跃迁，从而实现非谐振跃迁的校准和/或校正。
在方法700的另一个方面，使用一个或多个部件调整锁定组件的一个或多个位置自由度包括调整与输出光耦合器相关联的腔长度，用于使来自频率梳谱中的其他梳齿的非谐振频率稳定和定位，从而能够使非谐振频率被最小化、校准和/或校正。
在方法700的另一个方面，使用一个或多个部件调整锁定组件的一个或多个位置自由度包括调整与输出光耦合器相关联的腔长度，用于稳定频率梳谱中的所有梳齿，从而允许在目标应用中使用不同的梳齿，包括对相位不敏感的量子位操纵。
在方法700的另一个方面，使用一个或多个部件调整锁定组件的一个或多个位置自由度包括调整与输出光耦合器相关联的腔长度，以将脉冲激光器与其他激光器锁定，用于通过实现模块化量子计算机中远距离模块之间的相干量子位操纵来按比例扩大模块化量子计算机。
尽管本公开是根据所示的实施方式提供的，但本领域的普通技术人员将很容易认识到实施方式可能存在变化，并且这些变化将在本公开的范围内。因此，本领域的普通技术人员可以在不脱离所附权利要求的范围的情况下进行许多修改。
Claims (34)
1.一种用于脉冲激光器的输出光耦合器，包括：
腔输出耦合器反射镜；
压电式致动器，其耦合到所述腔输出耦合器反射镜；
锁定组件，所述腔输出耦合器反射镜和所述压电式致动器位于所述锁定组件中；以及
一个或多个部件，其耦合到所述锁定组件并被配置为通过利用所述腔输出耦合器反射镜调整所述锁定组件的至少一个位置来提供用于调谐所述脉冲激光器的频率梳谱的多个位置自由度。
2.根据权利要求1所述的输出光耦合器，其中，所述一个或多个部件针对一个或多个原子量子位来调谐所述脉冲激光器的所述频率梳谱。
3.根据权利要求2所述的输出光耦合器，其中，所述一个或多个原子量子位包括一个或多个囚禁离子量子位。
4.根据权利要求1所述的输出光耦合器，其中，所述一个或多个部件针对一个或多个原子量子位来调谐所述脉冲激光器的所述频率梳谱，以使用所述一个或多个原子量子位进行量子信息处理。
5.根据权利要求1所述的输出光耦合器，其中，所述一个或多个部件包括具有一个或多个致动器的线性台，其被配置为提供所述锁定组件沿所述脉冲激光器的腔方向的长度的纵向行进、所述锁定组件沿所述脉冲激光器的所述腔方向的宽度的横向行进、或纵向行进和横向行进的组合。
6.根据权利要求1所述的输出光耦合器，其中，所述一个或多个部件包括具有一个或多个致动器的旋转台，其被配置为提供所述锁定组件的角度旋转。
7.根据权利要求1所述的输出光耦合器，其中，所述一个或多个部件包括具有一个或多个致动器的倾斜反射镜安装件，其被配置为向所述锁定组件提供角度倾斜。
8.根据权利要求7所述的输出光耦合器，其中，所述锁定组件的所述角度倾斜是在一个空间方向、两个空间方向或三个空间方向上。
9.根据权利要求1所述的输出光耦合器，还包括：基板，其被配置为将所述一个或多个部件刚性地连接到所述脉冲激光器的板。
10.根据权利要求1所述的输出光耦合器，其中，所述一个或多个部件被配置为提供六个位置自由度，包括三个平移自由度和三个(3)倾斜自由度。
11.根据权利要求1所述的输出光耦合器，其中，所述一个或多个部件包括：
线性台，其耦合至所述基板，所述线性台被配置为提供一个方向上的垂直平移、一个或两个方向上的水平平移、或其组合；
倾斜反射镜安装件，其耦合到所述线性台，所述倾斜反射镜被配置为提供一个方向、两个方向或三个方向上的倾斜；
旋转台，其耦合至所述倾斜反射镜安装件，其中，所述锁定组件耦合至所述旋转台；或者
它们的组合。
12.根据权利要求1所述的输出光耦合器，其中，所述一个或多个部件中的每一个部件包括至少一个电机驱动式致动器，以控制所述位置自由度中的相应一个位置自由度。
13.根据权利要求1所述的输出光耦合器，其中，所述一个或多个部件中的每一个部件包括至少一个压电式致动器，以控制所述位置自由度中的相应一个位置自由度。
14.根据权利要求1所述的输出光耦合器，其中，所述锁定组件被配置为通过使所述压电式致动器和所述腔输出耦合器反射镜与所述脉冲激光器中的环境振动机械解耦，来提供高带宽稳定化。
15.根据权利要求1所述的输出光耦合器，其中，所述锁定组件包括：壳体顶部；以及
壳体底部，其与所述壳体顶部一起形成封闭空间，所述压电式致动器和所述腔输出耦合器反射镜位于所述封闭空间中，
其中，所述壳体顶部和所述壳体底部保持在一起，以提供受控的压力和相应的频率响应。
16.根据权利要求15所述的输出光耦合器，其中：
所述锁定组件的所述壳体顶部包括盖，
所述锁定组件的所述壳体底部包括轴，并且
所述锁定组件的所述壳体顶部和所述壳体底部通过一组螺钉和螺栓、一组螺钉或楔形结构中的一个或多个保持在一起，以提供所述受控的压力和所述相应的频率响应。
17.根据权利要求15所述的输出光耦合器，其中：
所述锁定组件的所述壳体顶部包括螺纹盖，
所述锁定组件的所述壳体底部包括螺纹轴，并且
所示锁定组件的所述壳体顶部和所述壳体底部通过所述螺纹盖拧紧到所述螺纹轴而保持在一起，以提供所述受控的压力和所述相应的频率响应。
18.根据权利要求17所述的输出光耦合器，其中，所述螺纹盖和所述螺纹轴至少部分地由黄铜制成。
19.根据权利要求15所述的输出光耦合器，其中：
所述锁定组件的所述壳体顶部包括盖；并且
所述锁定组件的所述壳体底部包括轴以及所述轴位于在其上的安装板。
20.根据权利要求19所述的输出光耦合器，其中，所述盖和所述轴至少部分地由黄铜制成，并且所述安装板至少部分地由铝制成。
21.根据权利要求15所述的输出光耦合器，其中，所述锁定组件还包括：
第一顺应性部件，其在所述封闭空间内，并位于所述腔输出耦合器反射镜与所述顶部的内部之间；和
第二顺应性部件，其在所述封闭空间内，并位于所述压电式致动器与所述底部的内部之间，
所述第一顺应性部件和所述第二顺应性部件通过所述顶部拧紧到所述底部而被按压。
22.根据权利要求21所述的输出光耦合器，其中，所述第一顺应性部件和所述第二顺应性部件中的每一个都是机械垫圈。
23.根据权利要求21所述的输出光耦合器，其中，所述第一顺应性部件和所述第二顺应性部件中的每一个都是O形环。
24.根据权利要求21所述的输出光耦合器，其中，所述第一顺应性部件和所述第二顺应性部件中的每一个均由与高真空或超高真空系统兼容的材料制成。
25.根据权利要求1所述的输出光耦合器，其中，所述压电式致动器是环形压电式致动器。
26.根据权利要求1所述的输出光耦合器，其中，所述脉冲激光器是以下之一：
YAG锁模激光器、
Tk:Sapp锁模激光器、或者
基于光纤的增益材料。
27.一种调整脉冲激光器中的输出光耦合器的方法，包括：
针对囚禁离子量子位检测所述脉冲激光器的频率梳谱的变化；
基于检测到的变化生成控制信号；
将所述控制信号提供给所述输出光耦合器，所述输出光耦合器具有：
锁定组件，其内部具有腔输出耦合器反射镜和压电式致动器，和
一个或多个部件，其耦合至所述锁定组件；以及
基于所述控制信号，使用所述一个或多个部件来调整所述锁定组件的一个或多个位置自由度，所述调整使得能够调谐所述脉冲激光器的所述频率梳谱。
28.根据权利要求27所述的方法，其中：
所述一个或多个部件包括：
线性台，其被配置为提供一个方向上的垂直平移、一个或两个方向上的水平平移、或其组合；
倾斜反射镜安装件，其被配置为提供一个方向、两个方向或三个方向上的倾斜；
旋转台，其被配置为进行旋转；或者
它们的组合；以及
使用所述一个或多个部件来调整所述锁定组件的一个或多个位置自由度包括调整所述线性台、所述倾斜反射镜安装件、所述旋转台或其组合。
29.根据权利要求27所述的方法，其中，使用所述一个或多个部件来调整所述锁定组件的一个或多个位置自由度包括调整与所述输出光耦合器相关联的腔长度，以用于调谐所述脉冲激光器的重复率，从而实现目标量子处理应用中的特征，包括AC斯塔克位移被抑制的量子位操纵。
30.根据权利要求27所述的方法，其中，使用所述一个或多个部件来调整所述锁定组件的一个或多个位置自由度包括调整与所述输出光耦合器相关联的腔长度，以稳定所述脉冲激光器的重复率，从而实现目标量子处理应用中的特征，包括稳定量子位操纵的相干时间。
31.根据权利要求27所述的方法，其中，使用所述一个或多个部件来调整所述锁定组件的一个或多个位置自由度包括调整与所述输出光耦合器相关联的腔长度，以稳定来自所述频率梳谱中的梳齿的非谐振跃迁，从而实现对所述非谐振跃迁的校准和/或校正。
32.根据权利要求27所述的方法，其中，使用所述一个或多个部件来调整所述锁定组件的一个或多个位置自由度包括调整与所述输出光耦合器相关联的腔长度，以对来自所述频率梳谱中的其他梳齿的非谐振频率进行稳定和定位，从而实现所述非谐振频率的最小化、校准和/或校正。
33.根据权利要求27所述的方法，其中，使用所述一个或多个部件来调整所述锁定组件的一个或多个位置自由度包括调整与所述输出光耦合器相关联的腔长度，以稳定所述频率梳谱中的所有梳齿，从而允许在目标应用中使用不同的梳齿，包括对相位不敏感的量子位操纵。
34.根据权利要求27所述的方法，其中，使用所述一个或多个部件来调整所述锁定组件的一个或多个位置自由度包括调整与所述输出光耦合器相关联的腔长度，以将所述脉冲激光器与其他激光器锁定，用于通过实现模块化量子计算机中远距离模块之间的相干量子位操纵来按比例扩大所述模块化量子计算机。
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