CN114342191A - 多控制器光束的快速强度稳定 - Google Patents

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Abstract

本公开的各方面描述了用于通过连续积分滤波器快速稳定多个控制器光束的技术。例如，描述了一种用于使囚禁离子系统中的激光束(例如，离子控制器光束)强度稳定的方法，其中该方法包括：将激光束的线性阵列施加到阱中的离子线性阵列中的相应离子；响应于施加的激光束，对离子进行并行测量，该并行测量包括对每个所述离子的多个单独测量，以识别每个离子处相应激光束的强度波动；以及响应于从该并行测量中识别的波动，调整一个或多个激光束的强度。还描述了用于囚禁离子系统中激光束强度稳定的相应系统。

Description

多控制器光束的快速强度稳定
相关申请的交叉引用
本申请要求于2020年8月17日提交的题为“Fast Intensity Stabilization ofMultiple Controller Beams with Continuous Integrating Filter”的美国非临时申请No.16/995,642和于2019年8月19日提交的题为“Fast Intensity Stabilization ofMultiple Controller Beams with Continuous Integrating Filter”的美国临时申请No.62/888,668的优先权，其内容通过引用整体并入本文。
技术领域
本公开的各方面总体上涉及激光束强度的稳定，并且更具体地，涉及通过连续积分的多控制器光束的快速稳定。
背景技术
在囚禁离子量子计算机或量子信息处理(quantum information processing,QIP)系统中，激光束的线性阵列向下聚焦到离子的线性阵列上。每个激光束都紧密聚焦在相应的离子上，以提供对该离子的某种控制。激光束在离子位置处的直径约为1微米(μm)至1.5μm，而离子之间的间距可约为5μm。
为了使量子计算机或QIP系统正常工作，重要的是每个离子上的每个激光束的光强度保持恒定。可导致激光束强度发生变化的原因有很多，例如，激光束或离子可能会移动，使离子位置处的强度降低，或者激光束本身的功率可能会发生变化。在某些情况下，保持离子的阱的变化会导致离子移动到激光束强度不同的不同斑点。数十或数百纳米量级的激光束或离子的变化会对系统性能产生严重影响。激光束上的气压梯度可能会在焦点处(例如，在激光束的最窄点，理想情况下是离子所在的位置)产生相消干涉，从而导致激光束强度降低。因此，随着时间的推移监测和稳定激光束强度至关重要。
一种解决方案是用光电二极管监测激光束的功率，然后提供测量反馈以调整施加到声光调制器(acousto-optic modulator,AOM)的射频(RF)信号的幅度，控制激光束以稳定激光束的功率。激光束的强度可以指每单位面积的功率量，因此，与激光束相关的术语“强度”和“功率”在本公开中可以互换使用。然而，用光电二极管监测激光功率的技术不能纠正由于激光束指向波动、离子位置波动或气压波动而导致的强度变化。而且，它只是稳定了光电二极管位置处的激光功率，并没有考虑到在光电二极管之后和靠近激光束的相应离子的激光束路径中引起的波动。
因此希望使用允许更接近离子的更准确测量的技术。这样做的一种方法是用离子本身实际测量激光束的强度或功率，并使用这些测量值来控制激光束的强度。可以通过在一定范围内扫描同时观察离子响应来定期校准激光束强度。在从扫描中选择最佳强度点之前，需要拟合扫描结果。激光束强度设置为最佳点的值，直到下一次校准运行。这个过程通常很慢，校准需要30秒到一分钟，因此不能比每10分钟左右运行一次更频繁。有大量噪声在时间尺度上比这10分钟间隔更快地波动，并且上述校准过程的类型无法纠正其中任何一个。
需要新技术，其中可以实现施加到离子的激光束的强度或功率的更快稳定或控制，同时仍然允许在其激光束被控制的离子处或附近进行测量。
发明内容
下面给出一个或多个方面的简化总结以便提供对这些方面的基本理解。该总结不是对所有预期方面的广泛概述，并且既不旨在识别所有方面的关键或必要要素，也不旨在描绘任何或所有方面的范围。其唯一目的是以简化形式给出一个或多个方面的一些概念，作为稍后给出的更详细描述的前序。
在本公开的一个方面，描述了一种用于使囚禁离子系统中的激光束强度稳定的方法，该方法包括：将激光束的线性阵列施加到阱中的离子线性阵列中的相应离子；响应于施加的激光束，对离子进行并行测量，所述并行测量包括对每个所述离子的多个单独测量，以识别每个离子处相应激光束的强度波动；以及响应于从所述并行测量中识别的波动，调整一个或多个激光束的强度。
在本公开的另一方面，描述了一种用于使囚禁离子系统中的激光束强度稳定的系统，该系统包括：激光源，其被配置为将激光束的线性阵列施加到阱中的离子线性阵列中的相应离子；成像系统，其被配置为响应于施加的激光束，对离子执行并行测量，所述并行测量包括对每个离子的多个单独测量，以识别每个离子处的相应激光束的强度波动；以及光控制器，其被配置为响应于从所述并行测量中识别的波动，调整一个或多个激光束的强度。
为了实现前述和相关目的，所述一个或多个方面包括在下文中充分描述并且在权利要求中特别指出的特征。以下描述和附图详细阐述了所述一个或多个方面的某些说明性特征。然而，这些特征仅表示可以采用各个方面的原理的各种方式中的几种，并且本描述旨在包括所有这些方面及其等价物。
附图说明
本文将结合附图描述所公开的各方面，用以说明而非限制所公开的方面，其中相同的标号表示相同的元件。
图1示出根据本公开的各方面的线性晶体中囚禁的原子离子的视图。
图2A是示出根据本公开的各方面的拉曼光束几何结构的示例的图示。
图2B是示出根据本公开的各方面的导致在离子处强度波动的激光束或离子位置的波动的示例的图示。
图3是示出根据本公开的各方面的用于多量子位控制的多通道声光调制器(AOM)的示例的图示。
图4是示出根据本公开的各方面的响应于脉冲面积的离子亮度的图示。
图5A是示出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5B是示出根据本公开的各方面的光控制器的示例的框图。
图6是示出根据本公开的各方面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，而不旨在表示可以实践本文描述的概念的唯一配置。该详细描述包括特定细节，目的是提供对各种概念的透彻理解。然而，对于本领域的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，众所周知的组件以框图形式显示，以避免混淆这些概念。
本公开的一个目的是执行快速实验以在实验周期(例如，每隔几毫秒)结束时测量各个离子对相应激光束的响应，以便随着时间的推移尽可能频繁地稳定激光束强度。通过执行这些快速校准或稳定技术，可以补偿比当前定期校准中使用的10分钟间隔更快的时间尺度上的波动。在某些情况下，可以在几个实验周期中的每一个之后进行测量。这些测量的结果可用于增加或减小每个激光束的强度，如果需要并且适当的话，通过驱动AOM(例如，多通道AOM)中的通道的RF幅度。因为该系统配置为单独地检测每个离子的响应，并且因为有一个单独的AOM通道驱动每个离子上的每个激光束，所以可以并行地(例如，同时地，在同一时间)测量和校准或稳定所有激光束强度。因此，本公开能够进行许多测量并反馈这些测量的结果以并行控制许多激光束的强度。此外，为了避免由测量引起的散粒噪声，本公开描述了滤除这种噪声的技术，其中一个示例包括使用积分滤波器来去除散粒噪声。
在囚禁离子量子计算机、囚禁离子系统或QIP系统中，根据使用离子来实现的特定量子门或实验的需要，可能需要单独寻址每个离子的能力来控制相位、频率和/或幅度、和/或还有极化。例如，一些囚禁离子系统具有32个单独控制的离子，但这个数字可以动态调整为更少或更多，在某些情况下高达100个离子或更多。这种单独寻址每个离子的相同能力也可用于在每个离子中执行独立测量，例如本文提出的用于执行激光束强度的快速校准或稳定的实验。在支持单独离子控制的系统中，可以将单个全局激光束施加或提供给离子链(例如，离子阱中的离子链或离子的线性排列，参见例如图1)中的所有离子，以控制这些离子，同时还将各个激光束施加或提供给要在其上执行或实施量子门、实验或测量的那些离子。这些反向传播的光束，称为拉曼光束或简称为拉曼光束，通常是具有非常高的中心频率(例如，850THz)的激光束。然而，这些激光束具有明确定义的频率差，会产生一个拍音(beatnote，例如12.6GHz)，用作量子位频率。RF信号用于控制激光束产生的拍音的频率或相位，其中该拍音然后用于驱动离子链中的量子位(例如，原子或离子量子位)。如在本公开中使用的，术语“原子离子”、“原子”和“离子”可以互换使用来描述将被限制或实际上被限制在阱中以形成晶体、线性、或类似的排列或配置的粒子。这种类型的控制在过去已通过使用单个全局激光束作为调整拍音的频率或相位的手段来实现，但这种方法存在一些局限性，因此使用各个激光束来控制离子的系统是优选的。
因此，可以使用拉曼跃迁来控制囚禁离子的状态，其中两个拉曼激光束之间的拍音可以用于相干地驱动内部量子位状态。当控制量子计算机或QIP系统中的各个囚禁离子时，生成寻址激光束的阵列，每个单个囚禁离子一个激光束。通过使用多通道AOM，可以控制阵列中的每个寻址激光束，使其具有例如单独校正由囚禁离子收集的任何系统误差或对离子执行测量的能力。应理解，虽然多通道AOM在本文中被称为用于单独的囚禁离子控制，但本公开不需要如此限制，并且该多通道AOM可以使用多个单通道AOM或多个较小的多通道AOM来实现。多个任意波形发生器(arbitrary waveform generator,AWG)或直接数字合成器(direct digital synthesizer,DDS)可以与多通道AOM一起使用，其中每个AWG/DDS独立控制AOM的通道以用于相应的寻址激光束。
关于上述方法，图1示出了图示100，其示出以线性或一维排列囚禁的多个原子离子106a-106d，例如线性晶体110，其使用线性RF阱，如线性RF Paul阱(线性晶体100可以在未显示的真空室内)。例如，线性晶体110也可以称为离子链。在图1所示的例子中，阱可以包括用于囚禁多个原子镱离子(例如，171Yb+离子)的电极，这些镱原子离子被限制在线性晶体110中并且被激光冷冻到几乎静止。应当理解，本文描述的技术适用于除镱离子之外的宽范围的原子离子，因此，本公开不必限于镱离子的使用。囚禁的原子离子的数量可以是可配置的，并且可以囚禁更多或更少的原子离子。在一个示例中，可以囚禁的离子的数量是N，其中N>1并且其中N是大至100或甚至更大的数字，在一些实施方式中N＝32，如上所述。原子被调谐到171Yb+共振的激光(光)辐射照射，并且原子离子的荧光被成像到相机上。在该示例中，原子离子彼此分开约5微米(μm)，这可以通过荧光示出。原子离子的分离取决于外约束力和库仑斥力之间的平衡。虽然原子离子106a-106d可被囚禁用于计算或实验，但原子离子106a-106d也可以如本文所述用于对它们各自的激光束进行测量以稳定那些激光束的强度。
图2A示出了说明拉曼光束几何结构的示例的图示200a。在图示200a中，各个激光束210(例如，每个原子离子一个)和全局激光束220指向线性晶体或链，例如线性晶体110，其具有原子离子或量子位的线性阵列。本文所述的测量技术可用于控制激光束210的强度，使得各个激光束210中的每一个的强度是稳定的，至少从相应离子的角度来看是稳定的。沿相同方向传播或行进的激光束可称为同向传播激光束，沿不同或相反方向传播或行进的激光束可分别称为非同向传播或反向传播激光束。激光束210(同向传播)是针对相应的原子离子被聚焦或单独寻址的激光束，而全局激光束220(如图所示，相对于激光束210反向传播)可以是全局光束，它通常聚焦到覆盖所有离子的宽椭圆形斑点。如本文所用，术语“激光束”、“光束”、“束”、“激光”、“光场”和“场”可以互换使用。此外，如本文所用，术语“原子”、“原子离子”和“离子”也可以互换使用。
图2B示出用于说明激光束或离子位置的波动导致离子处的强度波动的示例的图示200b。在该示例中，激光束210(例如，单独寻址激光束)聚焦在离子106的地点或位置处(实线)。激光束210的聚焦部分的直径230约为1μm至1.5μm。图示200b右侧的强度分布240显示离子106与强度分布240中的最高点对准。
离子106的位置变化或激光束210的位置变化(虚线)将改变离子106与强度分布240对准位置，从而导致离子106所见的激光束210的强度降低。
本文所述的技术用于通过改变激光束210的强度来校正这些类型的波动，其中强度可以增加或减小，以使离子106随着时间的推移看到稳定或恒定的激光束强度。
图3示出了图示300，其用于说明可用于执行测量以快速稳定多个控制器激光束的囚禁离子量子计算机或QIP系统的一部分，其通过连续积分用于多个测量。虽然如图3中的图示300所示，四个离子106a-106d被示出为囚禁在线性晶体110中，但是线性晶体110可以具有更少或更多的离子，并且其可以测量离子的全部或任何子集以稳定它们相应的激光束强度。图示300中还示出了多通道AOM 330、波形发生器350a-350d、成像系统360、稳定测量控制器370和多通道AOM控制器380。在一个示例中，AOM 330可以是具有平行布置的换能器312a-312d(例如，压电换能器)的多通道布拉格盒，其将声波局部地施加到AOM 330以调整施加到换能器的相应的各个寻址激光束210a-210d的一个或多个特征(例如，强度)。这些激光束210a-210d也可以称为控制器激光束或简称为控制器光束，因为它们控制操作和测量离子106a-106d的各方面。此外，激光束210a-210d可以称为激光束的线性阵列，因为它们的线性排列用于匹配线性晶体110中的离子106a-106d的线性排列。AOM 330可以包括一个不同的通道(例如，单独的换能器)，用于每个离子106a-106d和它们相应的激光束210a-210d。在该示例中，四个通道被示为具有换能器312a-312d，它们可以由相应的波形发生器350a-350d控制。波形发生器350a-350d可以是任意波形发生器(AWG)和/或直接数字合成器(DDS)，或一些其他类型的信号发生设备。
在操作期间，在一些实施方式中，全局激光束220可以从第一方向提供给离子106a-106d。激光束210a-210d可以被提供为从第二方向单独地或分别地照射离子106a-106d中的一些或全部。例如，在量子操作期间，被照射的离子取决于在作为量子操作或算法的一部分的序列的当前阶段中实现的量子门。在校准或稳定期间，被照射的离子取决于正被测量用于校准或稳定的那些激光束强度。在图示300所示的示例中，激光束210a可以照射或聚焦在离子106a上，激光束210b可以照射或聚焦在离子106b上，激光束210c可以照射或聚焦在离子106c上，并且激光束210d可以照亮或聚焦在离子106d上。在一些示例中，线性晶体110中的一些离子可能不被任何激光束照射，并且激光束强度稳定测量可以仅使用那些被照射的离子并行执行。在其他实施方式中，照射线性晶体110中的所有离子以对所有这些离子并行执行激光束强度稳定测量可能是有利的。
应当理解，虽然图2A中的图示200a和图3中的图示300使用在一个方向上的全局激光束220和在另一个方向上的一组单独的寻址激光束210，但是也可以替代地使用两组单独的寻址激光束，一组在一个方向上，另一组在另一个方向上(例如，以不同的角度或在阱的相对侧)。
仍然参考图3，在某些实施方式中，激光束210a-210d中的每一个的某些特征可以由AOM 330单独调制。例如，波形发生器350a可以生成和/或控制RF信号的产生，该RF信号使AOM 330的通道之一中的换能器312a产生声波，以控制入射在换能器312a上的激光束210a的特征(例如，频率、幅度和/或相位)。通过控制激光束210a的频率，该频率与全局激光束220的频率的差可用于产生拍音，该拍音进而控制离子106a的状态。波形发生器350a可以动态地改变RF信号，以随时间的推移改变激光束312a的特征。例如，RF信号的幅度可用于控制施加到离子106a的激光束210a的强度和/或功率，并且波形发生器350a可能能够动态调整或改变RF信号的幅度，以基于正在执行的计算或实验的类型来改变强度。该特征还可用于稳定激光束210a的强度。
可以关于波形发生器350b-350d、换能器312b-312d和激光束210b-210d执行上述类似的方法。换言之，可以通过控制施加到AOM 330中的相应通道(例如，相应的换能器)的RF信号的幅度来单独地和动态地控制激光束210b-210d中每一个的强度。
在图3中的图示300中还示出了成像系统360，其被配置为对激光束210a-210d的线性阵列和它们的离子106a-106d的相应线性阵列之间的相互作用的效果进行成像和分析。成像系统360可以作为用于激光束210a-210d的快速稳定的测量的一部分。例如，成像系统360可用于检测离子106a-106d中每一个的亮度(或缺乏亮度)，并且例如将值“0”分配给处于暗状态的离子，将值“1”分配给处于亮状态的离子。
图3中的图示300还示出了稳定测量控制器370，其可以被配置为控制用于在实验周期(例如，每隔几毫秒)结束时测量各个离子对相应激光束的响应的快速实验，以便随着时间的推移尽可能频繁地稳定激光束强度。稳定测量控制器370可以被配置为控制下列中的一项或多项：测量的调度(例如，何时进行测量以及测量进行多久)、要进行的测量(例如，要对哪些离子进行哪些测量以及要进行多少测量，以及如何准备离子以进行测量)、以及测量的处理(例如，确定是否需要调整激光束的强度)。稳定测量控制器370还可以被配置为向多通道AOM控制器380生成指令以在必要时控制对波形发生器350a-350d生成的RF信号的调整，这些RF信号又被施加到AOM 330中的通道，以修改激光束210a-210d的强度。在一个示例中，稳定测量控制器370可以包括积分滤波器375，积分滤波器375被配置为随着时间的推移对测量结果进行积分(例如，连续积分)，以获得离子106a-106d处激光束强度波动的更准确表示。积分滤波器375可以有效地用于设置阈值，使得当对特定离子的太多测量表明正在测量低于期望的激光束强度时，稳定测量控制器370向多通道AOM控制器380提供指令，以通过调整相应波形发生器的RF信号的幅度来增加相应激光束的强度。类似地，当对特定离子的太多测量表明正在测量高于期望的激光束强度时，稳定测量控制器370向多通道AOM控制器380提供指令，以通过调整激施加到AOM 330中相应通道的RF信号的幅度来减小相应激光束的强度。
在一些实施方式中，稳定测量控制器370和/或积分滤波器375的一些或全部功能可以实施为多通道AOM控制器380、成像系统360或成像系统360中的一些和多通道AOM控制器380中的一些的一部分。
图3中的图示300所示的囚禁离子量子计算机或QIP系统足够灵活，不仅可以执行量子计算和实验，而且还可以执行实验或测量以通过连续积分快速稳定多个控制器激光束(例如，激光束210a-210d)。也就是说，该系统能够执行快速实验以在一个或多个连续实验周期结束时测量离子线性阵列106a-106d对激光束线性阵列210a-210b的响应，其中测量结果用于通过调整驱动AOM 330的RF信号的幅度来增加或减小激光束强度。因为该系统可以分别检测每个离子的响应，并且因为AOM 330中有分开的通道来驱动每个离子的相应激光束，所以可以并行测量和/或调整所有的激光束强度。
对于要进行的每个测量(例如，对每个离子)，一种建议的方法可以如下进行。首先，将要测量的链中的每个离子都准备在量子态|0>。接下来，以设置为驱动在|0>和|1>量子态之间的拉比振荡的频率，将要测量的每个离子的相应激光束开启固定的时间长度t。每个激光束开启的时间t被设置为使得如果激光束功率或强度正确，则将相应的离子驱动到|0>和|1>量子态的相等叠加。每个离子的状态然后被测量为“0”或“1”，其中“1”表示离子的亮状态，“0”表示离子的暗状态。有关此方法的更多细节将在下面更详细地描述。
拉比振荡或拉比周期是在振荡场存在的情况下两能级量子系统的周期行为。例如，当被激光束照射时，原子或离子可以周期性地从激光束吸收光子并移动到一个能级，然后再发射光子并返回到另一个能级。这种行为反映在所谓的拉比振荡中，它表明处于第一量子态(例如，量子态|0>)的双能级量子系统最终会处于第二量子态(例如,量子态|1>)。拉比周期的持续时间及其持续时间的倒数被称为激光束的拉比频率。
图4以拉比振荡的示例示出图示400，说明了响应于脉冲面积(水平轴)的离子亮度(垂直轴)，其与激光束强度和时间t成比例。图示400示出为激光束(例如，激光束210a-210d之一)强度的扫描。脉冲面积，即图示400的水平轴，是与强度(I)和施加激光束的固定时间量t成比例的参数。例如，可由成像系统360检测的离子亮度，即图示400的垂直轴，是对应于sin(k·I·t)的振荡或正弦行为，其中k是比例因子，I和t如上所述。
如上所述，针对要进行的每个测量提出的方法包括将离子准备在初始量子态(例如，量子态|0>)，以及设置时间量t用于施加激光束以驱动在|0>和|1>量子态之间的拉比振荡。如果强度选择得当，并且相应的离子被驱动到|0>和|1>量子态的相等叠加，则操作点(由黑点示出)将在50％离子亮度水平(或垂直刻度中的0.5)，在该强度针对该离子的亮状态(“1”)与暗状态(“0”)测量一样多。当测量开始显示亮状态(例如，成像系统360对该离子的检测为“1”)比暗状态(例如，成像系统360对该离子的检测为“0”)多时，操作点(黑点)沿着曲线向上移动(白点)至更高的离子亮度。在这种情况下，校准或稳定操作可能需要减小用于控制AOM 330中的通道的RF信号的幅度，以修改激光束的强度。当测量开始显示暗状态(例如，成像系统360对该离子的检测为“0”)比亮状态(例如，成像系统360对该离子的检测为“1”)多时，操作点(黑点)沿着曲线向下移动(白点)至更低的离子亮度。在这种情况下，校准或稳定操作可能需要增加用于控制AOM 330中的通道的RF信号的幅度，以修改激光束的强度。
在图示400所示的示例中，每个激光束开启的持续时间被设置为使得激光束的强度正确并且离子将在亮状态(例如，|1>量子态)被测量50％的该时间，如位于离子亮度范围(例如，0.0–1.0)中间的黑点所示。在这种特殊情况下，时间t被设置为驱动9π/2脉冲(例如，脉冲面积为k·I·t)，尽管π/2的任何奇数倍也可以工作。可以设置时间t来驱动不需要是π/2的奇数倍的脉冲，然而，使用π/2的奇数倍可以使对强度波动的敏感性最大化。如果强度增加或减小，脉冲面积也一样，并且黑点沿着正弦曲线向上或向下移动，表示拉比振荡，即远离离子在亮状态被测量50％的该时间的情况。对于小的强度波动(例如，关于黑点的小变化)，此响应近似线性。所提出的方法提供的灵活性的另一个方面是π/2的较高奇数倍的脉冲比π/2的较低奇数倍对强度波动更敏感。这允许在调整激光束强度时选择使用最佳脉冲。
由于对特定离子进行的每次测量都返回“0”或“1”，因此这些测量可能具有显著的散粒噪声。因此，将这些测量通过一个积分滤波器(或多个积分滤波器)是有帮助的，这样可以将多个单独的测量积分，以更好地识别强度波动。通过连续积分实现散粒噪声降低的一种实现方式如下。
如上文结合图3中的图示300所描述的，激光束(例如，激光束210a-210d)的强度可以通过控制RF信号的幅度来控制，RF信号通过AOM 330中的相应通道/换能器调制每个激光束。多通道AOM控制器380或稳定测量控制器370和多通道AOM控制器380的组合可用于提供用于控制波形发生器350a-350d生成的RF信号的幅度的指令。
在一个实施方式中，每个RF信号的幅度可以物理地由16位数(bit number，或某个M位数)确定。该数位(digital number)可以称为提供给波形发生器350a-35d的物理数或物理位，以产生RF信号的适当幅度，并因此产生适当的激光束强度。在一个示例中，多通道AOM控制器380可以向波形发生器350a-350d中的每一个提供其相应的物理数(例如，16位数)，即表示波形发生器350a-350d中的每一个产生的RF信号的幅度的数位。不同RF信号幅度的数位可以由稳定测量控制器370提供给多通道AOM控制器380。然而，在可通过现场可编程门阵列(FPGA)或专用集成电路(ASIC)实现的稳定测量控制器370的内部，每个RF信号的幅度以及因此每个离子i的幅度可以改为基于32位数(或某个2M位数)Ai来确定。一般来说，Ai不必局限于2M位数，可以是任何(M+N)位数，其中M和N都是整数。Ai的16个最低有效位(LSB)不影响相应RF信号的幅度，因为它们被截断输出(即，Ai的16个MSB是物理位，Ai的16个LSB是非物理位)。稳定测量控制器370为每个离子i确定第二数位Bi，其是测量的反馈回路的增益并且为16位或更小。第二数位Bi以某种方式表示积分滤波器375执行的积分滤波的结果，其中进行多个测量以确定相应RF信号的幅度是否需要增加或减小。在一个例子中，Ai是32位数形式的离子i的幅度，其可以基于基础幅度A0和小于1的反馈增益(例如，小于1积分增益)的比例因子K。在本文描述的示例中，当第二数位Bi为16位时，比例因子可以等于1/16。积分操作提供第二数位Bi。在这种形式中，S(t)由一系列“1”和“0”确定，例如，如果在时间t的测量为“1”，则S(t)＝1，如果时间t的测量为“0”，则S(t)＝-1。比例因子是该稳定系统的可调参数，可通过Bi的值进行调整。因为被积分的数是“1”和“0”，所以该积分仅仅是被积分的数之和。总体而言，当在积分期间“1”的数量比“0”的数量多16个或更多个样本时，在一个方向上调整幅度Ai，以使强度沿着曲线下降并回到如图4的拉比振荡图示中所示的黑点。当在积分期间“0”的数量比“1”的数量多16个或更多样本时，在相反方向上调整幅度Ai，使强度沿着曲线上升并回到如图4的拉比振荡图示中所示的黑点。
换言之，在对离子i的每次测量之后，如果测量结果为“0”(例如，暗状态测量)，则离子i的数位Ai的值将被替换为Ai+Bi的值，而如果测量结果为“1”(例如，亮状态测量)，则离子i的数位Ai的值将被替换为Ai-Bi的值，这样做是为了调整用来控制用于每个离子i的激光束的强度的RF信号的幅度。由于Bi被添加到Ai的16个LSB，因此Bi中的单个测量不影响Ai的前16个MSB，也就是说，这对物理幅度没有影响，因为它只影响Ai的非物理位。如果该离子处于“0”和“1”的相等叠加，则统计上将有相同数量的“0”测量和“1”测量，并且物理幅度将保持几乎恒定(对于足够小的Bi)。即，当“0”测量和“1”测量的数量相同时，由例如积分滤波器375处理的测量积分为零或接近零。然而，如果离子叠加不平衡(例如，“0”测量和“1”测量的数量不相等)，则积分滤波器375最终将在一个方向上推动Ai的物理位，以稳定相应激光束的功率或强度。在这种情况下，当“1”显著多于“0”或者“0”显著多于“1”时，Bi的值可能足够大于将Ai的值替换为Ai+Bi或Ai-Bi的值时，这对Ai的物理位有影响，并因此对相应RF信号的物理幅度有影响。
如上所述，可以对所有激光束并行执行该过程。此外，由于这些测量可以并行执行，因此这些测量及其反馈稳定机制可以花费不到1毫秒(<1ms)，因此可以在实验周期之间间插并每隔几毫秒运行一次。这提供了一个相对快速的反馈回路，其可以消除慢漂移和比今天可以实现的更快的时间尺度波动。此外，虽然已结合积分滤波器描述了本文描述的反馈稳定机制，但应理解，反馈稳定机制不限于此，它更普遍地适用于更复杂的滤波器功能，积分滤波器为特定实施方式。
图5A是说明根据本公开的各方面的QIP系统500的示例的框图。QIP系统500也可以称为量子计算系统、计算机设备、囚禁离子系统、囚禁离子量子计算机等。在一个方面，QIP系统500可以被配置为执行量子计算和量子实验。此外，QIP系统500可以被配置为执行快速实验以在实验周期(例如，每隔几毫秒)结束时测量各个离子对相应激光束的响应，以便随着时间的推移尽可能频繁地稳定与每个单独离子相关的激光束强度。可以针对多个激光束及其相关离子并行执行该稳定程序。
QIP系统500可以包括源560，其向具有离子阱570的室550提供原子种类(例如，中性原子的通量)，该原子种类一旦被光控制器520离子化(例如，光电离)，就被离子阱570囚禁(参见例如图5B)。离子阱570可用于将离子囚禁在线性阵列中，例如上文分别结合图1和图3中的图示100和300描述的线性晶体110。光控制器520中的光源530可以包括一个或多个激光源(例如，光束或激光束的源)，其可用于原子种类的电离、原子离子的控制、原子离子的荧光，该荧光可以被光控制器520中的成像系统540中操作的图像处理算法监视和跟踪，和/或执行本公开中描述的与激光束强度稳定相关的光控制功能。光源530可以被配置为控制和产生激光束的线性阵列，例如上文结合图3中的图示300描述的激光束210a-201d。在一个方面，光源530可以与光控制器520分开实施。
成像系统540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570时或在它们已经被提供给离子阱570之后监测它们。在一个方面，成像系统540可以与光控制器520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控制器520协调。成像系统540可以是上文结合图3中的图示300描述的成像系统360的示例。因此，成像系统540可以被配置为成像和分析由光源530产生的激光束的线性阵列和囚禁在离子阱570中的它们相应的离子线性阵列之间的相互作用的效果。
QIP系统500还可以包括算法组件510，其可以与QIP系统500的其他部分(未示出)一起操作以执行量子算法或量子操作，包括单量子位操作和/或多量子位操作(例如，双量子位操作)以及扩展量子计算的堆栈或组合序列。这样，算法组件510可以向QIP系统500的各种组件(例如，向光控制器520)提供指令以实现量子算法或量子操作。
图5B示出光控制器520的至少一部分。在该示例中，光控制器520可以包括光源530和成像系统540。如虚线所示，光源530和成像系统540之一或两者可以可选地与光控制器520分开实现但与光控制器520通信。
成像系统540可包括CCD 541(或类似的成像器或相机)和图像处理算法组件542，以处理CCD 541捕获的信息。成像系统540可用于检测本文所述的测量的结果，用于快速校准或快速稳定激光束强度。光源530可以包括AWG(或DDS)532a-532d和激光器534a-534d，它们可以用于控制离子阱570中的离子。AWG 532a-532d可以是上文结合图3中的图示300描述的波形发生器350a-350d的示例，而激光器534a-534d可用于产生也在图示300中示出的激光束210a-210d的线性阵列。光源530还可包括全局调制器535和全局激光器536，用于发射和控制全局拉曼激光束220。
光控制器520可以包括被配置为控制多通道AOM 538的操作的多通道AOM控制器537，其可以分别对应于上述的多通道AOM控制器380和多通道AOM 330。多通道AOM 538可以使用具有多个通道的单个AOM设备、具有单个通道的多个AOM设备或具有多个和/或单个通道的多个AOM设备来实现。
光控制器520还可包括可对应于上述稳定测量控制器370的稳定测量控制器539。稳定测量控制器539可以包括积分滤波器(未示出)。积分滤波器或积分器是其输出信号为其输入信号的时间积分的设备或组件。也就是说，积分滤波器在限定的时间内累积输入量，以产生有代表性的输出。积分滤波器可用于滤除作为本文所述的激光束强度稳定的一部分进行的多个测量产生的散粒噪声的影响。积分滤波器可以是上述积分滤波器375的示例。
应当理解，光控制器520的一个或多个组件或子组件可以与光控制器520分开实现。此外，光控制器520的一个或多个组件或子组件可以实现为一个或多个集成电路(例如，FPGA、ASIC、中央处理单元、微处理器)的一部分。在一个示例中，多通道AOM控制器537和稳定测量控制器539可以实现为同一集成电路上的单个组件或不同集成电路中的分开的组件。当在同一集成电路中时，多通道AOM控制器537和稳定测量控制器539可以使用内部32位数Ai，其中Ai的16个MSB为物理位，Ai的16个LSB为非物理位，并且Ai的16个LSB可能会被截断输出。
参考图6，用于在囚禁离子系统中稳定激光束强度的方法600。在一个方面，方法600的功能可以由囚禁离子系统或QIP系统的一个或多个组件执行，如QIP系统500及其组件(例如，光控制器520及其组件或子组件)。
在610，方法600包括将激光束的线性阵列(例如，激光束210a-210d)施加到阱(例如，离子陷阱570)中的离子线性阵列(例如，离子106a-106d)中的相应离子。
在620，方法600包括响应于施加的激光束，对离子执行并行测量(例如，通过成像系统360)，其中并行测量包括对每个离子的多个单独测量，以识别每个离子处的相应激光束的强度波动。例如，可以在施加激光束之后(例如，紧接着)进行测量。
在630，方法600包括响应于从并行测量中识别的波动，调整一个或多个激光束的强度(例如，通过稳定测量控制器370、多通道AOM控制器380和/或波形发生器350a-350d)。
方法600通常对应于施加脉冲激光束、并行测量离子状态以及可以基于测量更新激光束功率的序列。这样的序列可以重复多次。
在方法600的一个方面，对特定离子的多个单独测量中的每一个是测量该离子对相应激光束的响应。
在方法600的一个方面，执行并行测量包括对每个离子的多个单独测量进行积分滤波(例如，通过积分滤波器375)，以识别相应激光束的强度波动。
在方法600的一个方面，调整一个或多个激光束的强度包括使用施加到多通道AOM(例如，多通道AOM 330)中的相应通道的RF信号来控制每个激光束。使用RF信号控制每个激光束包括响应于识别出相应激光束中的强度波动来调整RF信号的幅度。
在方法600的另一方面，对于对特定离子的多个单独测量中的每一个，方法600包括将离子准备到量子态|0>，其中以一频率将相应的激光束施加到该离子一固定时间段t，如果激光束的强度是正确的，则该固定时间段t产生|0>和|1>量子态的相等叠加，该频率驱动该离子在|0>和|1>量子态之间的拉比振荡(参见例如图4)，并且将该离子对相应激光束的施加的响应测量(例如，通过成像系统360)为“1”或“0”，其中“1”表示离子的亮状态，“0”表示离子的暗状态。固定时间段t可被设置为驱动为π/2的奇数倍的激光束脉冲，其中较高的π/2的奇数倍比较低的π/2的奇数倍对强度波动更敏感。此外，可以设置固定时间段t以驱动9π/2激光束脉冲。
在方法600的另一方面，每个激光束在相应离子的位置处具有大约1μm-1.5μm的直径，并且离子线性阵列中的离子彼此分开大约5μm的距离。
在方法600的另一方面，方法600在囚禁离子系统(例如，QIP系统500)的实验周期结束时执行，并且可以在囚禁离子系统的连续实验周期之间执行。总体而言，方法600可以在不到1毫秒内执行，这比不并行执行的现有方法要快得多。
在方法600的一个方面，使用RF信号控制每个激光束包括响应于识别出相应激光束的强度波动，基于对应于多个单独测量的反馈回路的增益的第二数位B，调整对应于RF信号的幅度的第一数位A。第一数位A的最高有效位(MSB)是代表相应RF信号的幅度的物理值的位。
在方法600的另一方面，每个测量可以首先涉及将要测量的链中的每个离子准备到量子态|0>。接下来，将要测量的每个离子的相应激光束以一频率开启固定时间长度t，该频率被设置为驱动在|0>和|1>量子态之间的拉比振荡。每个激光束开启的时间t被设置为，如果激光束功率或强度正确，则相应的离子被驱动到|0>和|1>量子态的相等叠加。然后将每个离子的状态测量为“0”或“1”，其中“1”表示离子的亮状态，“0”表示离子的暗状态。
一般而言，上文结合图1-6描述的技术可以使用用于在囚禁离子系统中的激光束的强度稳定的系统来实现。该系统可以包括：激光源，其被配置为将激光束的线性阵列施加到阱中离子线性阵列中的相应离子；成像系统，其被配置为在施加激光束的同时对离子进行并行测量，所述并行测量包括对每个离子的多个单独测量，以识别每个离子处相应激光束的强度波动；以及光控制器，其被配置为响应于从所述并行测量识别的波动，调整一个或多个激光束的强度。
在结合图1-6描述的系统的另一方面，对特定离子的多个单独测量中的每一个是测量该离子对相应激光束的响应。对于对特定离子的多个单独测量中的每一个，光控制器被配置为将离子准备到量子态|0>，其中以一频率将相应的激光束施加到该离子一固定时间段t，如果激光束的强度正确，则固定时间段t产生|0>和|1>量子态的相等叠加，该频率驱动离子在|0>和1>量子态之间的拉比振荡，并且成像系统被配置为将离子对相应激光束的施加的响应测量为“1”或“0”，其中“1”表示离子的亮状态，“0”表示离子的暗状态。固定时间段t可以被设置为驱动为π/2奇数倍的激光束脉冲，其中较高的π/2奇数倍比较低的π/2奇数倍对强度波动更敏感。该固定时间段t可以被设置为驱动9π/2激光束脉冲。
在结合图1-6描述的系统的另一方面，光控制器还被配置为对每个离子执行多个单独测量的积分滤波，以识别相应激光束的强度波动。被配置为调整一个或多个激光束的强度的光控制器还被配置为使用施加到多通道AOM中的相应通道的RF信号来控制每个激光束。被配置为使用RF信号控制每个激光束的光控制器还被配置为响应于对相应激光束的强度波动的识别，调整RF信号的幅度。被配置为使用RF信号控制每个激光束的光控制器还被配置为，响应于对相应激光束的强度波动的识别，以对应于多个单独测量的反馈回路的增益的第二数位B，调整对应于RF信号的幅度的第一数位A。第一数位A的MSB是代表相应RF信号幅度的物理值的位。
在结合图1-6描述的系统的另一方面，每个激光束在相应离子的位置处具有大约1μm-1.5μm的直径，并且离子线性阵列中的离子彼此间隔大约5μm的距离。
在结合图1-6描述的系统的另一方面，成像系统被配置为在囚禁离子系统上的实验周期结束时执行并行测量。成像系统被配置为在囚禁离子系统上的实验周期之间执行并行测量。成像系统被配置为在不到1毫秒内执行并行测量。
提供本公开的以上描述以使本领域技术人员能够执行或使用本公开。对于本领域的技术人员来说，对本公开的各种修改将是显而易见的，并且在不背离本公开的精神或范围的情况下，本文定义的共同原理可以应用于其他变型。此外，尽管可以以单数形式描述或要求所描述的各方面的要素，但可以考虑复数形式，除非明确说明限于单数。此外，除非另有说明，否则任何方面的全部或一部分可以与任何其他方面的全部或一部分一起使用。因此，本公开不限于本文描述的示例和设计，而是符合与本文公开的原理和新颖特征一致的最宽范围。

Claims (28)

1.一种用于囚禁离子系统中激光束强度稳定的方法，该方法包括：
向阱中离子线性阵列中的相应离子施加激光束线性阵列；
响应于所述激光束的施加，对所述离子进行，所述并行测量包括对每个所述离子的多个单独测量，以识别每个离子处相应激光束的强度波动；和
响应于从所述并行测量中识别的波动，调整一个或多个所述激光束的强度。
2.根据权利要求1所述的方法，其中对特定离子的所述多个单独测量中的每一个是测量该离子对相应激光束的响应。
3.根据权利要求1所述的方法，其中执行所述并行测量包括对每个所述离子执行所述多个单独测量的积分，以识别相应激光束的强度波动。
4.根据权利要求1所述的方法，其中对于对特定离子的所述多个单独测量中的每一个，所述方法包括：
将该离子准备到量子态|0>，其中将相应的激光束以一频率施加到该离子一固定时间段t，如果激光束的强度是正确的，则该固定时间段产生|0>和|1>量子态的相等叠加，该频率驱动该离子在|0>和|1>量子态之间的拉比振荡；和
将该离子对相应激光束的施加的响应测量为“1”或“0”，其中“1”表示该离子的亮状态，“0”表示该离子的暗状态。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述固定时间段t被设置为驱动为π/2的奇数倍的激光束脉冲，其中较高的π/2的奇数倍比较低的π/2的奇数倍对强度波动更敏感。
6.根据权利要求4所述的方法，其中所述固定时间段t被设置为驱动9π/2激光束脉冲。
7.根据权利要求1所述的方法，其中调整一个或多个所述激光束的强度包括使用施加到多通道声光调制器AOM中的相应通道的射频RF信号控制每个所述激光束。
8.根据权利要求7所述的方法，其中使用RF信号控制每个所述激光束包括响应于识别出相应激光束的强度波动来调整所述RF信号的幅度。
9.根据权利要求7所述的方法，其中使用RF信号控制每个所述激光束包括响应于识别出相应激光束的强度波动，基于对应于所述多个单独测量的反馈回路的增益的第二数位B，调整对应于所述RF信号的幅度的第一数位A。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述第一数位A的最高有效位MSB是表示相应RF信号的幅度的物理值的位。
11.根据权利要求1所述的方法，其中：
每个激光束在相应离子的位置处具有大约1μm至1.5μm的直径，并且
所述离子线性阵列中的离子彼此分开大约5μm的距离。
12.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法是在所述囚禁离子系统上的实验周期结束时执行的。
13.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法是在所述囚禁离子系统的实验周期之间执行的。
14.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法是在小于1毫秒内执行的。
15.一种用于囚禁离子系统中激光束强度稳定的系统，该系统包括：
激光源，其被配置为将激光束的线性阵列施加到阱中离子的线性阵列中的相应离子；
成像系统，其被配置为响应于所述激光束的施加，对所述离子执行并行测量，所述并行测量包括对每个所述离子的多个单独测量，以识别每个离子处相应激光束的强度波动；和
光控制器，其被配置为响应于从所述并行测量中识别的波动，调整一个或多个所述激光束的强度。
16.根据权利要求15所述的系统，其中对特定离子的所述多个单独测量中的每一个是测量该离子对相应激光束的响应。
17.根据权利要求15所述的系统，其中所述光控制器还被配置为对每个所述离子执行所述多个单独测量的积分滤波，以识别相应激光束的强度波动。
18.根据权利要求15所述的系统，其中对于对特定离子的所述多个单独测量中的每一个：
所述光控制器被配置为将该离子准备为量子态|0>，其中以一频率将相应的激光束施加到该离子一固定时间段t，如果所述激光束的强度是正确的，该固定时间段t产生|0>和|1>量子态的相等叠加，并且所述频率驱动该离子在|0>和|1>量子态之间的拉比振荡，并且
所述成像系统被配置为将该离子对相应激光束的施加的响应测量为“1”或“0”，其中“1”表示该离子的亮状态，“0”表示该离子的暗状态。
19.根据权利要求18所述的系统，其中所述固定时间段t被设置为驱动为π/2的奇数倍的激光束脉冲，其中较高的π/2的奇数倍比较低的π/2的奇数倍对强度波动更敏感。
20.根据权利要求18所述的系统，其中所述固定时间段t被设置为驱动9π/2激光束脉冲。
21.根据权利要求15所述的系统，其中被配置为调整一个或多个所述激光束的强度的所述光控制器被进一步配置为使用施加到多通道声光调制器AOM中的相应通道的射频RF信号控制每个所述激光束。
22.根据权利要求21所述的系统，其中被配置为使用RF信号控制每个所述激光束的所述光控制器被进一步配置为响应于识别出相应激光束的强度波动来调整所述RF信号的幅度。
23.根据权利要求21所述的系统，其中被配置为使用RF信号控制每个所述激光束的所述光控制器被进一步配置为响应于识别出相应激光束的强度波动，以对应于所述多个单独测量的反馈回路的增益的第二数位B，调整对应于所述RF信号的幅度的第一数位A。
24.根据权利要求23所述的系统，其中所述第一数位A的最高有效位MSB是表示相应RF信号的幅度的物理值的位。
25.根据权利要求15所述的系统，其中：
每个激光束在相应离子的位置处具有大约1μm至1.5μm的直径，并且
所述离子线性阵列中的离子彼此分开大约5μm的距离。
26.根据权利要求15所述的系统，其中所述成像系统被配置为在所述囚禁离子系统上的实验周期结束时执行所述并行测量。
27.根据权利要求15所述的系统，其中所述成像系统被配置为在所述囚禁离子系统上的实验周期之间执行所述并行测量。
28.根据权利要求15所述的系统，其中所述成像系统被配置为在小于1毫秒内执行所述并行测量。
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