CN113283608B - 通用量子计算装置 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种通用量子计算装置，本申请的通用量子计算装置包括：包括：离子阱模块、光探测模块、光束整形模块和光激发模块，离子阱模块包括绝缘基底，绝缘基底具有凹面，凹面上设有多个反射电极，多个反射电极相互之间留有用于透光的间隙；光探测模块设于绝缘基底的一侧；光束整形模块设于绝缘基底和光探测模块之间，用于将凹面内收集的光传输至光探测模块；光激发模块用于发光，且光激发模块所发射的光依据预设设置相应地通过间隙或者光束整形模块射入凹面内。本申请通过离子阱模块、光探测模块、光束整形模块和光激发模块实现标准的量子计算和量子网络，实现一个具有完整功能的量子计算网络节点。

Description

通用量子计算装置

技术领域

本申请涉及量子计算的技术领域，具体而言，涉及一种通用量子计算装置。

背景技术

量子信息领域近年来发展十分迅速，目前已经成为各国科技竞争的主要“战场”。作为未来最具潜力、提升国家综合科技实力必不可少的发展方向，世界各国都提出自己的战略和资助计划，以促量子科技的发展与突破。

通用量子计算机是遵循量子力学规律可以直接对量子态进行存储、运算与读取的物理系统。通用量子计算是量子信息领域中非常重要的关键发展方向，其所具有的并行处理和强大计算能力在军事、金融、医疗、数据等关键领域都有重要的应用价值。

但是现有技术中成功研制的通用量子计算机为小规模通用量子计算原型机，性能较差，如何研制一款高性能的量子计算机为量子计算方向研究中最核心、最重要的待解决问题。

实现具有高量子比特数的量子计算机的一种可行方式是利用光子作为信息交换媒介，将多个小规模量子计算体系制备成一个大的纠缠态，形成被称为分布式量子计算网络的具有高比特数目和具有全量子态信息传输能力的量子计算网络。

发明内容

本申请实施例的目的在于提供一种通用量子计算装置，用以实现标准的量子计算和量子网络节点装置。

本申请的实施例是这样实现的：

第一方面，本申请提供一种通用量子计算装置，包括：离子阱模块、光探测模块、光束整形模块和光激发模块，离子阱模块包括绝缘基底，所述绝缘基底具有凹面，所述凹面上设有多个反射电极，多个反射电极相互之间留有用于透光的间隙；光探测模块设于所述绝缘基底的一侧；光束整形模块设于所述绝缘基底和所述光探测模块之间，用于将所述凹面内收集的光传输至所述光探测模块；光激发模块用于发光，且所述光激发模块所发射的光依据预设设置相应地通过所述间隙或者所述光束整形模块射入所述凹面内。

于一实施例中，所述光束整形模块包括：第一光通道组件和第二光通道组件；所述光激发模块包括：第一组激光源和第二组激光源；其中，所述第一组激光源所发射的光均通过所述间隙射入所述凹面内，所述第二组激光源所发射的光依次通过所述第二光通道组件与所述第一光通道组件射入所述凹面内。

于一实施例中，所述凹面为轴对称结构，具有目标轴线以及与所述目标轴线垂直的焦平面。

于一实施例中，所述第一组激光源包括：至少一个第一冷却激光源和至少一个第二冷却激光源，每个第一冷却激光源所发射的光均在所述焦平面上传播；每个第二冷却激光源所发射的光线方向相对于所述目标轴线和所述焦平面均为倾斜设置。

于一实施例中，所述第一组激光源还包括：轴向拉曼激光源和多个非轴向拉曼激光源，轴向拉曼激光源所发射的光线方向沿所述目标轴线设置，其中，所述第二组激光源射入所述凹面内的光线方向沿所述目标轴线设置，且与所述轴向拉曼激光源相对设置，每个非轴向拉曼激光源所发射的光沿相对于所述目标轴线倾斜或者垂直的方向进行传输。

于一实施例中，所述多个非轴向拉曼激光源包括：第一拉曼激光源、第二拉曼激光源、第三拉曼激光源和第四拉曼激光源，第一拉曼激光源所发射的光在所述焦平面上传播，且第一拉曼激光源所发射的光线方向相对于所述第一冷却激光源所发射的光线方向成倾斜设置；第二拉曼激光源所发射的光与所述第一拉曼激光源所发射的光线方向成相对设置；第三拉曼激光源所发射的光在所述焦平面上传播，且第三拉曼激光源所发射的光线方向与第一拉曼激光源所发射的光线方向成垂直设置；第四拉曼激光源所发射的光线方向与所述第三拉曼激光源所发射的光线方向成相对设置。

于一实施例中，所述第二组激光源包括一个或者多个拉曼激光源。

于一实施例中，所述第一光通道组件包括：沿第一光传播方向依次设置的第一透镜、第二透镜、第一反射镜、波前调制器和第三透镜；其中，所述第一透镜设于所述凹面的开口一侧；所述第三透镜设于所述光探测模块的一侧。

于一实施例中，所述第二光通道组件包括：沿第二光传播方向依次设置的第四透镜和双色镜；其中，所述第四透镜设于所述第二组激光源的一侧，所述双色镜设于所述波前调制器和所述第三透镜之间。

于一实施例中，所述第一光通道组件还包括：光学横场模式变换器，光学横场模式变换器设于所述双色镜和所述第三透镜之间。

于一实施例中，所述第二光通道组件还包括：第二反射镜，第二反射镜设于所述第四透镜和所述双色镜之间。

本申请与现有技术相比的有益效果是：

本申请通过离子阱模块、光探测模块、光束整形模块和光激发模块实现标准的量子计算和量子网络，实现一个具有完整功能的量子计算网络节点。

再者，本申请通过在离子阱模块的凹面上设置多个相互间隔的反射电极，可以实现离子囚禁鞍点与平衡位置的移动与调整，实现抛物面焦点与离子囚禁鞍点的重合。本申请离子阱模块中反射电极不仅用于导电，而且可以用于反光，从而将反射光收集镜与离子阱电极集成到一起，且由于多个反射电极设置于凹面上，可以提高光收集立体角，使得离子的光收集效率高，实现高效离子散射光收集功能，从而使得本申请的通用量子计算装置性能较好。

另外，本申请通过合理设计光激发模块中各个光源的位置以及光路，从而能够将两束或多束不同功能的激光同时照射到凹面内焦点处离子，可以同时实现离子的三维激光冷却、三维运动模式激光冷却(边带冷却)、单量子门操作、多量子门操作和多粒子囚禁时单离子寻址的功能，收集离子辐射荧光并将其转换为光纤模式实现高效光纤耦合，以实现高速远程纠缠态制备和完整的量子计算网络节点装置。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请一实施例示出的通用量子计算装置的结构示意图。

图2为本申请一实施例示出的离子阱模块的正视图。

图3为本申请一实施例示出的离子阱模块的几何示意图。

图4为本申请一实施例示出的凹面反射收集光线的原理图。

图5为本申请一实施例示出的通用量子计算装置的光路示意图。

图6为本申请一实施例示出的通用量子计算装置的光路示意图。

图7为本申请一实施例示出的通用量子计算装置的部分结构示意图。

图8为本申请一实施例示出的通用量子计算装置的部分结构示意图。

图标：10-通用量子计算装置；100-离子阱模块；110-绝缘基底；111-凹面；120-反射电极；121-第一电极；DC1a-第一子电极；DC1b-第二子电极；DC1c-第三子电极；DC1d-第四子电极；RF2-第二电极；RF3-第三电极；RF4-第四电极；125-第五电极；DC5a-第五子电极；DC5b-第六子电极；DC5c-第七子电极；DC5d-第八子电极；130-间隙；200-光探测模块；300-光束整形模块；310-第一光通道组件；311-第一透镜；312-第二透镜；313-第一反射镜；314-波前调制器；315-第三透镜；316-光学横场模式变换器；320-第二光通道组件；321-第四透镜；322-双色镜；324-第二反射镜；400-光激发模块；410-第一组激光源；C1-第一冷却激光源；C2-第二冷却激光源；R2-轴向拉曼激光源；RL0-非轴向拉曼激光源；R3-第一拉曼激光源；R4-第二拉曼激光源；R5-第三拉曼激光源；R6-第四拉曼激光源；420-第二组激光源；R1-拉曼激光源。

具体实施方式

术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，并不表示排列序号，也不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”、“左”、“右”、“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

在本申请的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。

下面将结合附图对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述。

请参照图1，其为本申请一实施例示出的通用量子计算装置10的结构示意图。一种通用量子计算装置10包括：离子阱模块100、光探测模块200、光束整形模块300和光激发模块400。离子阱模块100包括由具有绝缘性材质制成的绝缘基底110，绝缘基底110具有凹面111，凹面111的形状可以是轴对称结构，也可以是非轴对称结构，具体地，凹面111的形状可以是抛物面、球面、圆弧面、椭球面或者不规则曲面中的任意一种。本实施例中，凹面111为抛物面这一轴对称结构，具有焦点、目标轴线以及与目标轴线垂直的焦平面。其中，焦点以S表示，以焦点S建立直角坐标系，该坐标系的Z轴与目标轴线重合，XY平面与焦平面重合。

其中，绝缘基底110为由同时具有绝缘性和透光性材质制成的，例如：绝缘基底110材质可以是玻璃，如此设置，则可以绝缘基底110可以不需要为光激发模块400所发射的激光进行专门打孔，只需在绝缘基底110上为原子源和电极引线打孔即可，通用量子计算装置10简化性高。

于一其他的实施例中，绝缘基底110为由只具有绝缘性而不具有透光性材质制成的，例如：绝缘基底110材质可以是陶瓷，如此设置，则可以在绝缘基底110上设置多个通光孔，用于使光激发模块400所发射的激光透光，在绝缘基底110上设置多个开孔，供原子源透过和电极引线穿过。

凹面111上设有多个反射电极120，多个反射电极120相互之间留有用于透光的间隙130。

本实施例通过在离子阱模块100的凹面111上设置多个相互间隔的反射电极120来形成多个电气独立区域，从而可通过在这个几个反射电极120施加不同直流、射频电压的方式，可以控制离子囚禁鞍点在三维空间中移动，实现离子囚禁鞍点与平衡位置的移动与调整，实现抛物面焦点与离子囚禁鞍点的重合。

再者，本实施例利用多个反射电极120相互之间的间隙130以及绝缘基底110的透光性进行激光入射，并不对离子阱模块100中凹面111及反射电极120进行特殊改造，保证了离子阱模块100中凹面111的轴对称性和完整性，并不会影响离子阱模块100囚禁离子的位置、各反射电极120的功能以及对离子作用的强度大小。

另外，本实施例离子阱模块100中反射电极120不仅用于导电，而且可以用于反光，从而将反射光收集镜与离子阱电极集成到一起，且由于多个反射电极120设置于凹面111上，可以提高光收集立体角，使得离子的光收集效率高，实现高效离子散射光收集功能，从而使得本申请的通用量子计算装置10性能较好。

于一实施例中，反射电极120包括金属膜和高反介质膜，金属膜设于高反介质膜和凹面111之间，金属膜用于导电，高反介质膜为具有绝缘性和高反射率的材质制成的，具有用于反光和绝缘。于一其他的实施例中，反射电极120只包括金属膜，不包括高反介质膜，金属膜设于凹面111，且金属膜的外表面为经过抛光处理的抛光面，从而使得金属膜可用于导电和反光。

光探测模块200设于绝缘基底110的一侧；光束整形模块300设于绝缘基底110和光探测模块200之间，用于将凹面111内收集的光传输至光探测模块200；光激发模块400用于发光，且光激发模块400所发射的光依据预设设置相应地通过间隙130或者光束整形模块300射入凹面111内。

其中，光激发模块400包括一个或者多个光源，预设设置为光源的位置以及出射方向等设置，本实施例通过设置光源的位置以及出射方向使得光激发模块400所发射的光要么通过间隙130射入凹面111内，要么通过光束整形模块300射入凹面111内。

本实施例通过离子阱模块100、光探测模块200、光束整形模块300和光激发模块400实现标准的量子计算和量子网络，实现一个具有完整功能的量子计算网络节点。本实施例中光激发模块400包括多个光源，通过合理设计光激发模块400中各个光源的位置以及光路，从而能够将两束或多束不同功能的激光同时照射到凹面111内焦点处离子，可以同时实现离子的三维激光冷却、三维运动模式激光冷却(边带冷却)、单量子比特逻辑门操作、多量子比特逻辑门操作和多离子囚禁时的单离子寻址的功能，大立体角高效收集离子辐射荧光并将其转换为光纤模式实现高效光纤耦合，以实现完整的量子计算网络节点装置。

请参照图2，其为本申请一实施例示出的离子阱模块100的正视图。反射电极120的尺寸、反射电极120的个数、间隙130的尺寸以及凹面111的尺寸可以根据需要设计。示例性的，将多个反射电极120划分成第一电极121、第二电极RF2、第三电极RF3、第四电极RF4和第五电极125，第一电极121设置在凹面111的最底端，第五电极125设置在第一电极121的外侧，第一电极121和第五电极125分别由四个间隔设置的子电极组成，第二电极RF2、第三电极RF3和第四电极RF4设置在第一电极121和第五电极125之间，且均为环形电极。

第一电极121的四个子电极分别是等大的四分之一圆形的第一子电极DC1a、第二子电极DC1b、第三子电极DC1c和第四子电极DC1d。第五电极125的四个子电极分别是等大的四分之一环形的第五子电极DC5a、第六子电极DC5b、第七子电极DC5c和第八子电极DC5d。其中，第五电极125的四个子电极相互间的间隙130大小可以是0.04mm，第一电极121的四个子电极相互间的间隙130大小可以是0.04mm。

请参照图3，其为本申请一实施例示出的离子阱模块100的几何示意图。凹面111为焦距f＝2.1mm的抛物面，凹面111总开口直径为31.5mm，深度为29.5mm。

第一电极121和第二电极RF2之间的间隙130、第二电极RF2和第三电极RF3之间的间隙130、第三电极RF3和第四电极RF4之间的间隙130、以及第四电极RF4和第五电极125之间的间隙130相等，均为0.04mm。其中，凹面111(抛物面)的焦点处于第三电极RF3和第四电极RF4之间的间隙130。

第一电极121中第一子电极DC1a、第二子电极DC1b、第三子电极DC1c和第四子电极DC1d为等大的，宽度为0.256mm。第二电极RF2的宽度为0.8mm。第三电极RF3的宽度为0.764mm、第四电极RF4的宽度为0.7mm。第五电极125中第五子电极DC5a、第六子电极DC5b、第七子电极DC5c和第八子电极DC5d为等大的，宽度为26.46mm。

第一电极121和第五电极125上加载直流电压(DC)，第二电极RF2、第三电极RF3和第四电极RF4上加载射频交流电压(RF)。以Yb171+作为被囚禁离子为例，第一电极121上可以施加0.35V的直流电压。第五电极125上可以施加0.5V的直流电压。第二电极RF2上可以施加600V的射频交流电压。第三电极RF3上可以施加413V的射频交流电压。第四电极RF4上可以施加500V的射频交流电压。RF的驱动频率为20MHz。

请参照图4，其为本申请一实施例示出的凹面111反射收集光线的原理图。当凹面111为抛物面时，从焦点处点光源发出的任意光线，经抛物面反射后以平行光输出。将辐射荧光入射抛物面的入射角记为α，则偏转角为θ＝2α。此设计中，最大光反射立体角对应开口θ＝150°，即可收集立体角为93.3％，从而可以将对偶极辐射模式下的σ和π光的收集效率提高至98％以上。

本实施例通过将凹面111的形状设计为抛物面，使得焦点处的离子自发辐射出的光子经抛物面反射后可以实现平面波输出，则偶极辐射模式的σ和π光经抛物面镜发射后变为矢量偏振光，具有LG01光场模式。从而可以实现大立体角的光收集，提高光线(光子)收集效率。

本发明人在研发过程中发现，提升离子阱量子系统性能中一个关键制约因素是如何提升离子的光收集效率，而现有技术中利用显微物镜的方式，最高仅可以收集到约10％空间立体角中的光子，这使得离子阱在量子态读取速度、保真度、形成光子中继的量子纠缠态速度以及规模等方面性能都收到极大制约。本发明人发现在暂不考虑偶极辐射的方向性的情况下，离子自发辐射荧光为各向同性。故本实施例利用凹面111上的反射电极120收集光线，实现超过50％立体角的收集效率，当采用抛物面形状的凹面111时，则输出为平行光，消像差，因此可以增大单个光场模式的收集效率，以将成像离子置于焦点处实现理想成像，且减小了离子阱在量子态读取速度、保真度、形成光子中继的量子纠缠态速度以及规模等方面性能的制约，提高了量子态读取速度和保真度以及量子纠缠态速度，提高了通用量子计算装置10的性能。

请参照图5，其为本申请一实施例示出的通用量子计算装置10的光路示意图。光探测模块200可以是探测器(detector)或单模光纤(SMF)。

光束整形模块300包括：第一光通道组件310和第二光通道组件320；光激发模块400包括：第一组激光源410和第二组激光源420；其中，第一组激光源410所发射的光均通过间隙130射入凹面111内。

本实施例中，第一组激光源410包括：至少一个第一冷却激光源C1，每个第一冷却激光源C1所发射的光(cooling)射入凹面111内，并在焦平面(XY平面)上传播，可聚焦于凹面111的焦点S处，用以实现Y方向的激光冷却。其中，第一冷却激光源C1可以从第三电极RF3和第四电极RF4之间的间隙130入射。

第一组激光源410还包括：一个轴向拉曼激光源R2，轴向拉曼激光源R2所发射的光线方向沿目标轴线(Z轴正方向)设置，且轴向拉曼激光源R2所发射的光通过第一电极121中四个子电极间的间隙130(凹面111的顶点)射入凹面111内。

第二组激光源420包括一个拉曼激光源R1。第二组激光源420所发射的光依次通过第二光通道组件320与第一光通道组件310射入凹面111内。由于第二组激光源420所发射的光为直接聚焦于凹面111的焦点S处，不经过凹面111上反射电极120的反射，而一体化的具有凹面111的离子阱模块100囚禁多离子时离子晶体的基态为一2D离子晶体，因此通过改变拉曼激光源R1入射光的倾角，即可实现拉曼激光源R1所发射的激光在2D焦平面(XY平面)内聚焦光斑的移动，实现单个离子的独立激发，从而可以实现囚禁离子的独立寻址(individual addressing)。

另外，第二组激光源420射入凹面111内的光线方向沿目标轴线(Z轴负方向)设置，为与轴向拉曼激光源R2相对设置，形成一组对射的Raman(拉曼)激光。在第二组激光源420所发射的激光照射某特定离子时，轴向拉曼激光源R2所发射的激光也同时照射该离子(或同时照射2D晶体内所有离子)，从而实现Z方向单个离子的声子操作(Z方向声子的独立操控，可寻址)，即单比特量子逻辑门。而且，可以独立激发Z轴方向的声子，实现声子与离子的耦合与操作，实现多量子比特逻辑操作。另外，第二组激光源420和轴向拉曼激光源R2所形成的对射的Raman激光，可以实现离子自旋与声子间的耦合及声子数的增减操作，进而实现声子的冷却(声子数减操作，且两束对射的Raman激光的合成波矢k方向即为激光有效作用声子的方向，故第二组激光源420和轴向拉曼激光源R2可以实现Z方向声子的冷却。

需要说明的是，第二组激光源420和轴向拉曼激光源R2所形成的对射的Raman激光中，需要对单个离子进行选择时，要求该光斑半径远小于离子间隔，以减轻Z方向单个离子的声子操作过程中的串扰及退相干。当凹面111内离子为Yb离子时，实现声子冷却的激光可以是波长为355nm的激光。

其中，第一光传播方向为光由离子阱模块100的凹面111至光探测模块200的方向，用于聚焦成像到探测器(detector)或耦合进入单模光纤(SMF)；第二光传播方向为光由第二组激光源420至离子阱模块100凹面111的方向，用于Raman激发。

第一光通道组件310包括：沿第一光传播方向依次设置的第一透镜311、第二透镜312、第一反射镜313、波前调制器314和第三透镜315；其中，第一透镜311设于凹面111的开口一侧；第三透镜315设于光探测模块200的一侧。

第二光通道组件320包括：沿第二光传播方向依次设置的第四透镜321和双色镜322；第四透镜321设于第二组激光源420的一侧，双色镜322设于波前调制器314和第三透镜315之间。其中，双色镜322为Dichroic filter，双色镜322可以是由树脂制成的，也可以是玻璃基底上镀功能介质膜实现的，用于令一定波长(369nm左右)的光几乎完全透过，而对另一些波长(355nm左右)的光几乎完全反射，本实施例通过双色镜322的设置，实现第一光传播方向和第二光传播方向两个光路的重合与复用。于一其他的实施例中，双色镜322可以是分束器BS或者合束镜。

于一操作过程中，当第二组激光源420所发射的光经过第四透镜321到达双色镜322时，双色镜322将其反射至波前调制器314，然后依次通过第一反射镜313、第二透镜312和第一透镜311射入凹面111内。

当凹面111内收集的光(例如：第一组激光源410所发射的光、第二组激光源420输送至凹面111内的光、以及经过凹面111内反射电极120反射的离子自发辐射光子)依次通过第一透镜311、第二透镜312、第一反射镜313和波前调制器314到达双色镜322时，双色镜322用于透过，使其经过第三透镜315输出至光探测模块200。

于一其他的实施例中，可以交换光探测模块200和第二组激光源420的位置，则使双色镜对激光的反射和透射功能进行交换，当第二组激光源420所发射的光到达双色镜322时，双色镜322用于透过，使其输出至波前调制器314，然后依次通过第一反射镜313、第二透镜312和第一透镜311射入凹面111内。当凹面111内收集的光到达双色镜322时，双色镜322将其反射至光探测模块200。

本实施例通过第一光通道组件310和第二光通道组件320中的各个光学元件来实现光子的模式变换、模式匹配、像差矫正。

具体地，本实施例通过第一透镜311、第二透镜312、第三透镜315和第四透镜321起校正各种像差的作用，例如：第一透镜311和第三透镜315为凸透镜，起会聚作用；第二透镜312和第四透镜321为凹透镜，起发散作用。于一实施例中，第一透镜311、第二透镜312、第三透镜315和第四透镜321可以是高NA(数值孔径)成像收集物镜。再者，本实施例通过设置于第一光传播方向和第二光传播方向的共同光路上的波前调制器314(Wavefrontmodulator)修正因凹面111反射电极120和其他光学元件加工非理想导致的像差，将经过凹面111内反射电极120反射的球面波前转换为平面波前，从而实现在光探测模块200中探测器上的理想成像，也可以降低第二组激光源420所发射的光聚焦到凹面111内离子时的束腰半径，满足单离子寻址对激光光斑大小的要求。波前变换器可以是空间光调制器(SLM)、数字微镜阵列(DMD)或者相位板等。

于一其他的实施例中，为独立矫正探测与独立寻址激光两路像差，可以依据第一光传播方向和第二光传播方向分别在双色镜322前增加一个独立的相位调制器以实现独立波前补偿。具体地，一个相位调制器设置于第一反射镜313与双色镜322之间，一个相位调制器设置于第三透镜315与双色镜322之间。

请参照图6，其为本申请一实施例示出的通用量子计算装置10的光路示意图。第二组激光源420包括多个拉曼激光源R1。本实施例通过设置多个拉曼激光源R1，令第二组激光源420所发射的激光从一束增加为多束，且可以同时聚焦于焦平面(XY平面)内的不同离子处，则可以通过2D离子晶体中共用的声子模式来实现2个离子间的相互作用，从而实现焦平面(XY平面)内双量子比特量子逻辑门。故本实施例的通用量子计算装置10可以同时实现单、双比特量子逻辑门，则可以实现任意量子逻辑操作，而成为一个通用量子计算系统，即标准的量子计算和量子网络实现装置。

第二光通道组件320还包括：第二反射镜324，第二反射镜324设于第四透镜321和双色镜322之间。于一操作过程中，第二组激光源420所发射的光通过第四透镜321后经第二反射镜324反射至双色镜322，双色镜322将其反射至波前调制器314，然后依次通过第一反射镜313、第二透镜312和第一透镜311射入凹面111内。

第一光通道组件310还包括：光学横场模式变换器316(mode converter)，光学横场模式变换器316设于双色镜322和第三透镜315之间，用于实现模式变换。

凹面111内收集的光(例如：第一组激光源410所发射的光、第二组激光源420输送至凹面111内的光、以及经过凹面111内反射电极120反射的离子自发辐射光子)依次通过第一透镜311、第二透镜312、第一反射镜313和波前调制器314、双色镜322、光学横场模式变换器316和第三透镜315输出至光探测模块200。

需要说明的是，发明人在试验过程中发现：离子自发辐射出的光子为偶极辐射模式，偶极辐射的离子自发辐射荧光经凹面111内反射电极120反射后会转换为不同的光场模式，例如抛物面形状凹面111反射会将π光转换为具有LG01空间模式(拉盖尔-高斯，LG，Laguerre-Gaussian)的矢量偏振光。而在量子网络应用中，需要利用干涉的方法对两个独立离子辐射出的纠缠光子(离子-光子纠缠)进行贝尔态(Bell States)测量。该方法要求两个光子处于相同的光场模式，一般为高斯基模(LG00模，即TEM00模式)。其中，为保证光场空间模式的纯度，光探测模块200可以利用单模光纤(SMF)实现对每一路光子的收集，光纤本征模式非常接近于高斯基模，耦合效率可计算模式重合度的交叠积分得到。故需要经过模式变换转换为高斯基模，才能实现与光探测模块200中单模光纤的模式匹配与高效耦合；而第二组激光源420的拉曼激光源R1激发凹面111内离子时，激光不经过凹面111和反射电极120而直接聚焦于离子处。因此第二组激光源420不需要进行光场的模式转换。

故本实施例将实现LG01模式转换为高斯基模的光学横场模式变换器316，设置于光探测模块200到双色镜322中间的光路上，实现模式变换，而将实现对光路的像差矫正的波前调制器314设置在第一光传播方向和第二光传播方向的共同光路上，实现两路激光像差的同时补偿。本实施例通过复用光束整形模块300中的光学器件，简化了光路设计，可以同时优化寻址光和成像收集的像质，而且保证了单离子寻址激光具有很高的空间分辨能力，减小了多离子实验中的串扰。通过寻址激光倾角的调节，可以实现不同离子的逐个激发。

请参照图7，其为本申请一实施例示出的通用量子计算装置10的部分结构示意图。第一组激光源410包括：至少一个第二冷却激光源C2，每个第二冷却激光源C2所发射的光线方向相对于目标轴线和焦平面均为倾斜设置。且本实施例中，第二冷却激光源C2可以通过第一电极121和第二电极RF2之间的间隙130入射，分别具有沿X轴的分量和垂直于第一冷却激光源C1所发光线的分量(具有沿Y轴和Z轴的分量)，实现了X方向、Y方向和Z方向的激光冷却，实现离子的3维多普勒(doppler)激光冷却，使离子冷却到运动基态。具体地，在三维空间中，第一冷却激光源C1所发射的激光沿X轴，第二冷却激光源C2所发射的激光在传播方向上同时具有X、Y和Z方向的投影分量。

于一其他的实施例中，第二冷却激光源C2在YZ平面上传播，则第二冷却激光源C2可以实现Y方向和Z方向的激光冷却，不可以实现X方向的激光冷却。因此只有同时设置第一冷却激光源C1和第二冷却激光源C2，具有此两束激光，才可以同时实现离子在三维空间中的激光冷却，使离子冷却到运动基态。

第一组激光源410包括：多个非轴向拉曼激光源RL0，其中，每个非轴向拉曼激光源RL0所发射的光沿相对于目标轴线倾斜或者垂直的方向进行传输。

多个非轴向拉曼激光源RL0包括：第一拉曼激光源R3和第二拉曼激光源R4。第一拉曼激光源R3所发射的光在焦平面(XY平面)上传播，且第一拉曼激光源R3所发射的光线方向相对于第一冷却激光源C1所发射的光线方向成倾斜设置。第二拉曼激光源R4所发射的光与第一拉曼激光源R3所发射的光线方向成相对设置，形成另一组对射的Raman(拉曼)激光，且第一拉曼激光源R3所发射的光和第二拉曼激光源R4所发射的光均不与第一冷却激光源C1的光线方向共线，均与目标轴线(Z轴)垂直，用来实现径向方向的声子冷却与操作。

由于具有抛物面形状凹面的离子阱模块为轴对称形状，若不加偏置电场，X轴、Y轴两个方向和自由度是简并状态，任何一束径向激光即可同时冷却X、Y两个方向的声子，可以冷却XY平面内所有方向的运动模式。故本实施例通过令第一拉曼激光源R3和第二拉曼激光源R4的光线方向若不与X、Y轴中任何一个坐标轴方向完全重合，同时通过沿Z轴方向射入凹面的轴向拉曼激光源R2以及第二组激光源420中的拉曼激光源R1，从而可以在X、Y和Z三个维度均可以实现声子的独立冷却与操作，即实现3维声子冷却，使离子冷却到运动基态。

请参照图8，其为本申请一实施例示出的通用量子计算装置10的部分结构示意图。需要说明的是，若X、Y方向电场分布非轴对称，会引起运动主轴的旋转或拉伸，此时运动主轴记为X’运动主轴和Y’运动主轴，为声子在径向独立运动的两个维度。其中，X’运动主轴和Y’运动主轴若不沿图中定义的X轴和Y轴方向，但是二者仍保持相互垂直，即X轴与Y轴垂直，X’运动主轴与Y’运动主轴垂直，X轴与X’运动主轴之间有夹角。

例如：激光冷却必须同时具有两个运动主轴方向的分量，才能分别冷却两个主轴方向的声子，同理，若要分别独立控制两个运动主轴方向的声子所处状态，则需要相互垂直的两组拉曼激光，其中，相互垂直的两组拉曼激光中，一组拉曼激光所发射光与X’运动主轴重合，另一组拉曼激光所发射光与Y’运动主轴重合，故这两组拉曼激光可以同时具有沿X’运动主轴和Y’运动主轴的分量，也可以有沿X轴和Y轴的分量。

故本实施例中多个非轴向拉曼激光源RL0还包括：第三拉曼激光源R5和第四拉曼激光源R6。第三拉曼激光源R5所发射的光线方向与第一拉曼激光源R3所发射的光线方向成垂直设置，且第三拉曼激光源R5所发射的光在焦平面(XY平面)上传播；第四拉曼激光源R6所发射的光线方向与第三拉曼激光源R5所发射的光线方向成相对设置，形成另一组对射的Raman(拉曼)激光。

由于第三拉曼激光源R5所发射的光和第四拉曼激光源R6所发射的光均不与第一冷却激光源C1的光线方向共线，均与目标轴线(Z轴)以及第一拉曼激光源R3所发射的光线方向垂直，从而可以实现径向平面内第二维运动声子态的冷却与操作，实现三维运动模式激光冷却(边带冷却)。综上，离子阱模块100作为已经成功演示多比特高保真度通用量子计算原型机的系统之一，具有量子比特天然一致性、超长相干时间、量子态制备和量子门操作高保真度等诸多优点。离子阱模块100可以利用天然的带电原子作为量子比特，利用激光与原子相互作用实现量子比特状态的制备与操作，利用超高真空实现对环境噪声的隔离，目前已经实现了超过70量子比特离子的稳定囚禁与高保真度操控。为了进一步提高可同时操控的量子比特数目，可通过分布式量子网络的方法来利用光子作为信息传递的信使，将不同子系统进行纠缠、实现信息交换。离子阱模块100也是同时满足实现通用量子计算和量子网络的物理系统。其中，判断量子计算机是否可以实现的准则判据(条件)包括：1.具有可掌控的量子比特,并具有可扩展性。2.能够将量子比特初始化到一个确定的量子态。3.能在较长时间内保持量子相干性,或者说退相干时间要远大于量子逻辑门操作时间。4.能够进行普适量子逻辑门操作。5.能够进行量子比特的测量。此外，为实现量子网络，还需要满足如下两个条件：6.本地量子比特和飞行量子比特能够互相转化。7.能够在两地间传播飞行量子比特。

以上条件第1条至第5条指的是：要实现单台量子计算机，需要具备可以良好区分不同物理状态的实体(量子比特)，且可以对其进行确定性的初始化(将寄存器制备到已知的初始状态，比如全0或全1)，并且在数据不丢失和产生错误(退相干过程)的时间内进行运算(量子逻辑门操作)，并且可以对计算结果进行读出(量子态测量)。为了保证计算的普适性，即可以解决任何问题，需要量子逻辑操作是普适(完备)的。

以上条件第6条和第7条指的是：若单台量子计算机性能不能满足要求时，需要将不同量子计算机组网实现集群运算，这就是分布式量子计算，组建的网络就被称为量子网络。光是信息传输过程中速度最快、最有效的方式，因此利用光子作为量子网络中信息传递的信使(飞行量子比特)是非常合适的。将本地的量子比特转换为飞行比特的能力也是量子网络节点器件中一个非常重要的方面。

而本申请的通用量子计算装置10满足上述条件，可以实现标准的量子计算和量子网络。本申请的通用量子计算装置10具有离子三维激光冷却功能(包含doppler冷却与边带冷却)，具有完整的荧光增强收集与探测光学系统，具有单离子量子逻辑操作和多离子量子逻辑操作功能，具有单离子独立激光寻址功能。本申请还可以在不影响反射镜高效光收集的前提下，可以实现多束激光对多个离子的逻辑操控。本申请还对离子散射的荧光光子进行模式变换，使其成为纯度很高的基模，以实现高效和高速离子-离子纠缠态制备。

以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种通用量子计算装置，其特征在于，包括：

离子阱模块，包括绝缘基底，所述绝缘基底具有凹面，所述凹面上设有多个反射电极，多个反射电极相互之间留有用于透光的间隙；

光探测模块，设于所述绝缘基底的一侧；

光束整形模块，设于所述绝缘基底和所述光探测模块之间，用于将所述凹面内收集的光传输至所述光探测模块；以及

光激发模块，用于发光，且所述光激发模块所发射的光依据预设设置相应地通过所述间隙或者所述光束整形模块射入所述凹面内。

2.根据权利要求1所述的通用量子计算装置，其特征在于，所述光束整形模块包括：第一光通道组件和第二光通道组件；

所述光激发模块包括：第一组激光源和第二组激光源；

其中，所述第一组激光源所发射的光均通过所述间隙射入所述凹面内，所述第二组激光源所发射的光依次通过所述第二光通道组件与所述第一光通道组件射入所述凹面内。

3.根据权利要求2所述的通用量子计算装置，其特征在于，所述凹面为轴对称结构，具有目标轴线以及与所述目标轴线垂直的焦平面；

所述第一组激光源包括：

至少一个第一冷却激光源，每个第一冷却激光源所发射的光均在所述焦平面上传播；以及

至少一个第二冷却激光源，每个第二冷却激光源所发射的光线方向相对于所述目标轴线和所述焦平面均为倾斜设置。

4.根据权利要求3所述的通用量子计算装置，其特征在于，所述第一组激光源还包括：

轴向拉曼激光源，轴向拉曼激光源所发射的光线方向沿所述目标轴线设置，其中，所述第二组激光源射入所述凹面内的光线方向沿所述目标轴线设置，且与所述轴向拉曼激光源相对设置；以及

多个非轴向拉曼激光源，每个非轴向拉曼激光源所发射的光沿相对于所述目标轴线倾斜或者垂直的方向进行传输。

5.根据权利要求4所述的通用量子计算装置，其特征在于，所述多个非轴向拉曼激光源包括：

第一拉曼激光源，第一拉曼激光源所发射的光在所述焦平面上传播，且第一拉曼激光源所发射的光线方向相对于所述第一冷却激光源所发射的光线方向成倾斜设置；以及

第二拉曼激光源，第二拉曼激光源所发射的光与所述第一拉曼激光源所发射的光线方向成相对设置。

6.根据权利要求5所述的通用量子计算装置，其特征在于，所述多个非轴向拉曼激光源包括：

第三拉曼激光源，第三拉曼激光源所发射的光在所述焦平面上传播，且第三拉曼激光源所发射的光线方向与第一拉曼激光源所发射的光线方向成垂直设置；以及

第四拉曼激光源，第四拉曼激光源所发射的光线方向与所述第三拉曼激光源所发射的光线方向成相对设置。

7.根据权利要求2至6任一项所述的通用量子计算装置，其特征在于，所述第二组激光源包括一个或者多个拉曼激光源。

8.根据权利要求2至6任一项所述的通用量子计算装置，其特征在于，所述第一光通道组件包括：沿第一光传播方向依次设置的第一透镜、第二透镜、第一反射镜、波前调制器和第三透镜；

其中，所述第一透镜设于所述凹面的开口一侧；所述第三透镜设于所述光探测模块的一侧。

9.根据权利要求8所述的通用量子计算装置，其特征在于，所述第二光通道组件包括：沿第二光传播方向依次设置的第四透镜和双色镜；

其中，所述第四透镜设于所述第二组激光源的一侧，

所述双色镜设于所述波前调制器和所述第三透镜之间。

10.根据权利要求9所述的通用量子计算装置，其特征在于，所述第一光通道组件还包括：

光学横场模式变换器，设于所述双色镜和所述第三透镜之间；

第二反射镜，设于所述第四透镜和所述双色镜之间。

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