CN114429217B - 光功率稳定系统和离子阱量子计算系统 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种光功率稳定系统。光功率稳定系统包括：合束模块、分束模块、光探测模块、控制模块、功率控制模块和应用模块。光功率稳定系统通过合束模块和分束模块，可以用一个光探测模块实现多路光功率的反馈输入信号的收集，使从合束模块至应用模块的前端光路更加集成化，缩短反馈时间，体积更小，成本更低。通过控制模块和功率控制模块使合束模块之前的后端光路的每一路的光功率都可以单独被控制。当需要增加光功率稳定的光路时，只要在后端光路上增加，不需要改变前端光路，光功率稳定系统的可扩展性强。本申请还提供一种离子阱量子计算系统。
Description
技术领域
本申请涉及离子阱量子计算技术领域，更具体而言，涉及一种光功率稳定系统和离子阱量子计算系统。
背景技术
在离子阱量子计算系统中，激光脉冲可以实现离子冷却、态操控和态读出三个过程。然而激光的光功率的抖动会在一定程度上影响冷却的效果和态的保真度与相干时间。因此，通过光功率稳定系统稳定光功率，可以提高态的保真度和相干时间。
发明内容
本申请提供了一种光功率稳定系统和离子阱量子计算系统。
本申请提供一种光功率稳定系统，包括：
合束模块，用于将空间中不同工作时序的多路激光的激光光路合束至合束光路中；
分束模块，用于将所述合束光路中的激光分束为光路不同第一子光束和第二子光束；
光探测模块，用于探测所述第一子光束以生成反馈输入信号；
控制模块，用于根据预设算法处理所述反馈输入信号，生成反馈输出信号；
功率控制模块，用于根据所述反馈输出信号调节处于发射状态的激光的光功率；
应用模块，用于对所述第二子光束进行应用。
如此，光功率稳定系统通过合束模块和分束模块，可以用一个光探测模块实现多路光功率的反馈输入信号的收集，使从合束模块至应用模块的前端光路更加集成化，缩短反馈时间，体积更小，成本更低。通过控制模块和功率控制模块使合束模块之前的后端光路的每一路的光功率都可以单独被控制。当需要增加光功率稳定的光路时，只要在后端光路上增加，不需要改变前端光路，光功率稳定系统的可扩展性强。
在某些实施方式中，所述合束模块包括光纤合束器。
如此，光功率稳定系统可以使用光纤合束器作为实现合束模块的功能的器件。
在某些实施方式中，所述分束模块包括分光镜。
如此，光功率稳定系统可以使用分束镜作为实现合束模块功能的器件。
在某些实施方式中，所述光探测模块包括光电探测器，所述光电探测器用于将接收到的第一子光束的光信号转化为电信号以生成所述反馈输入信号。
如此，光功率稳定系统可以使用光电探测器作为实现光探测模块功能的器件。
在某些实施方式中，所述功率控制模块包括信号产生模块和功率控制器件，所述信号产生模块用于根据所述反馈输出信号产生射频信号以调节所述光功率。
如此，可以使用信号产生模块和功率控制器件从而实现功率控制模块的功能。
在某些实施方式中，所述信号产生模块包括数字信号发生器，所述数字信号发生器用于产生所述射频信号，并根据所述反馈输出信号调节射频信号的幅度。
如此，可以使用数字信号发生器作为实现信号产生模块功能的器件
在某些实施方式中，所述功率控制器件包括声光调节器，所述声光调节器用于在所述射频信号驱动下调节所述光功率。
如此，声光调节器可以作为功率控制器件使用。
在某些实施方式中，所述光功率稳定系统还包括监控模块，所述监控模块与所述控制模块通信连接，所述监控模块用于向所述控制控制模块设定每路所述激光的稳定目标值、所述预设算法的参数、所述多路激光的工作时序。
如此，通过增加监控模块，使每一光路都可以单独设定和修改初始值、稳定目标值、预设算法的参数，同时还可以修改和设定多路光路的工作时序，并且可以通过可视化界面显示离子阱量子计算系统的运行状态。
在某些实施方式中，所述应用模块包括离子阱，所述第二子光束用于在不同工作时序分别对所述离子阱中的离子进行冷却、操控和读出。
如此，可以使用离子阱实现应用模块的功能。
申请还提供一种离子阱量子计算系统包括括至少一个激光发射器和根据上述的光功率稳定系统。
在本申请的光功率稳定系统和离子阱量子计算系统中，光功率稳定系统通过合束模块和分束模块，可以用一个光探测模块实现多路光功率的反馈输入信号的收集，使从合束模块至应用模块的前端光路更加集成化，缩短反馈时间，体积更小，成本更低。通过控制模块和功率控制模块使合束模块之前的后端光路的每一路的光功率都可以单独被控制。当需要增加光功率稳定的光路时，只要在后端光路上增加，不需要改变前端光路，光功率稳定系统的可扩展性强。
本申请的实施方式的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实施方式的实践了解到。
附图说明
本申请的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施方式的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本申请某些实施方式的离子阱量子计算系统的结构示意图之一。
图2是本申请某些实施方式的离子阱量子计算系统的结构示意图之二。
图3是本申请某些实施方式的离子阱量子计算系统的场景应用示意图之一。
图4是本申请某些实施方式的离子阱量子计算系统的场景应用示意图之二。
图5是本申请某些实施方式的监控模块的可视化界面示意图。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施方式，实施方式的示例在附图中示出，其中，相同或类似的标号自始至终表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本申请的实施方式，而不能理解为对本申请的实施方式的限制。
通过光功率稳定系统稳定光功率的关键在于求稳过程中的反馈时间和稳定时间。两者时间越短，越能够稳定光功率。反馈延时指的是光探测模块探测到光束生成反馈输入信号至控制模块输出反馈输出信号的时间。该时间取决于硬件中对反馈信号的延时以及算法处理一次数据的时间。稳定时间是指从功率控制模块开始接收反馈输出信号到稳定在稳定目标值的时间，取决于算法的性能。
通常实现光功率稳定的方法为：首先设定阈值，光探测模块探测到光束生成反馈输入信号，在时间序列中，如果反馈输入信号高于阈值，则触发算法执行处理反馈输入信号，再将信号反馈输出到功率控制模块。这种系统属于被动式反馈，触发的序列来源于光功率本身，受制于光功率的状态。激光发射器发射的每一路光路的光功率只能对应一个光探测模块进行探测。
请参阅图1，本申请实施方式提供一种离子阱量子计算系统1000，离子阱量子计算系统1000包括激光发射器100和光功率稳定系统200。
其中，激光发射器100用于发射激光，可以是以脉冲工作方式的激光发射器100，用于发射激光脉冲。激光发射器100的数量不做具体限制，例如1个、2个和5个等等。光功率稳定系统200用于稳定激光发射器100发射的激光的光功率。
从激光发射器100至应用模块260，激光形成了一条光路，可以将合束模块210至应用模块260称为前端光路，可以将激光发射器100至合束模块210称为后端光路。
可以理解地，在离子阱量子计算系统1000中，激光脉冲可以实现离子冷却、态操控和态读出三个过程。然而激光的光功率的抖动会在一定程度上影响冷却的效果和态的保真度与相干时间。因此，通过光功率稳定系统200稳定光功率，可以提高态的保真度和相干时间。
请参阅图2，光功率稳定系统200包括合束模块210、分束模块220、光探测模块230、控制模块240、功率控制模块250和应用模块260。
合束模块210用于将空间中不同工作时序的多路激光的激光光路合束至合束光路中。
多路激光可以是由多个激光发射器100发射光路不同的多束激光形成，也可以是由同一个激光发射器100发射的一束激光经过分束成多个光路，从而得到多路激光。
离子阱量子计算系统1000设有工作时序，该系统的所有模块按照工作时序进行工作。
离子阱量子计算系统1000根据设定的工作时序控制激光发射器100发射激光，工作时序可以由使用离子阱量子计算系统1000的使用者根据需求设定。
合束模块210位于激光发射器100发射的激光行程的光路上，能够将不同光路的激光合束成一路光路。也即是，多路激光是不同时序的，合束模块210合束的是不同激光的光路。或者说，将各个方向或者说各个光路的激光都合束到一个光路中，以便于后续可通过一个分束模块220和一个光探测模块230对多路不同时序的激光进行探测，以控制功率稳定。
合束光路指的是工作时序不同的激光，在经过合束模块210后在空间上位于同一光路。例如，激光发射器100按照激光1、激光2和激光3的先后顺序发射三束光路不同的激光，合束模块210可以先后将激光1、激光2和激光3合束至同一个光路中。在空间上，激光1、激光2和激光3都在合束光路上，在但在时间上，三者并不同时在合束光路上。
分束模块220用于将合束光路中的激光分束为光路不同第一子光束和第二子光束。
其中，第一子光束指的是从合束光路中的激光分束出来，将要进入光探测模块230的光束。
第二子光束指的是从合束光路中的激光分束出来，将要进入应用模块260的光束。
分束模块220位于合束光路上，将来自合束模块210输出的合束光路中的激光在空间上分束成两路光路的光束。一路光束进入应用模块260，该路光束即是第二子光束。另一路光束进入光探测模块230，该路光束即是第一子光束。
可以理解地，通过合束模块210将工作时序不同且光路不同的激光合束至一路光路中，因此，在同一时间合束光路中，实际上只包括单束激光，该单束激光再经过分束模块220进行分束，以同时满足光探测模块230的探测条件和应用模块260的入阱条件。使原本需要在每一光路上都安装一个光探测模块230变成只需要一个光探测模块230就能同时监测多路光路的光功率，节省了硬件空间和成本。也即是，分束模块220是将合束光路中的单束激光进行分束，这一单束激光在不同时序下是不同的激光。
光探测模块230用于探测第一子光束以生成反馈输入信号。
其中，光探测模块230位于第一子光束的光路上。从分束模块220分束出来的第一子光束进入光探测模块230，光探测模块230探测到第一光束后，生成反馈输入信号发送给控制模块240。
控制模块240用于根据预设算法处理反馈输入信号，生成反馈输出信号。
其中，预设算法可以由使用者进行设定，预设算法可以使用数字PID算法。
控制模块240接收到来自光探测模块230发送的反馈输入信号，根据预设算法处理反馈输入信号，生成反馈输出信号后根据工作时序依次发送给功率控制模块250。
功率控制模块250用于根据反馈输出信号调节处于发射状态的激光的光功率。
其中，功率控制模块250接收到了主控制模块240发送的反馈输出信号后，根据该信号调节激光发射器100发射出的各光路的光功率。
可以理解地，离子阱量子计算系统1000按照工作时序控制激光发射器100发射光路不同的激光，激光经过合束模块210合束、分束模块220分束进入光探测模块230时，光探测模块230能够在不同的时序下探测到激光，从而生成相应的信号。激光发射器100发射的每一路激光都有对应的反馈输出信号，同时，每一路的激光的光功率都由功率控制模块250根据其对应的反馈输出信号进行调节从而可以单独调节每一路的光功率。
应用模块260用于对第二子光束进行应用。
其中，应用模块260用于接受第二子光束的照射，通过第二子光束的照射，可以将应用模块260中的离子进行冷却、态操控和态读出，并将离子囚禁于应用模块260上。
离子阱量子计算系统1000的运行过程可以包括，激光发射器100发射出空间上的不同光路的多束激光，进入到合束模块210。合束模块210将多路激光合束成空间上的一路光路后，激光沿着该光路继续移动到分束模块220。分束模块220将一路的光路分束成两路光路，一路光路进入光探测模块230，该路的光束即为第一子光束。另一路光路进入应用模块260，该路的光束即为第二子光束。
光探测模块230探测到第一子光束后，生成反馈输入信号，并将该信号发送给控制模块240，控制模块240将接收到的反馈输入信号进行计算并生成不同激光对应的反馈输出信号后，将该信号发送给功率控制模块250，功率控制模块250根据接收到的反馈输出信号，调节激光发射器100发射出的空间上的对应光路的激光的光功率。
请参阅图3，在一个示例中，离子阱量子计算系统1000按照工作时序控制激光发射器100发射出3路激光，按照激光1、激光2和激光3的先后顺序发射激光。形成三路光路，进入到合束模块210。合束模块210将三路激光合束成空间上的一路光路后，激光沿着该光路继续移动到分束模块220。分束模块220将一路的光路分束成两路光路，一路光路进入光探测模块230，该路的光束1即为第一子光束，该光束1在时序上先后含有激光1、激光2和激光3。另一路光路进入应用模块260，该路的光束2即为第二子光束，该光束2在时序上先后含有激光1、激光2和激光3。
光探测模块230探测到第一子光束后，生成反馈输入信号，并将该信号发送给控制模块240，控制模块240将接收到的反馈输入信号进行计算，并生成与激光1对应的反馈输出信号1、与激光2对应的反馈输出信号2和与激光3对应的反馈输出信号3。然后，控制模块240分别将反馈输出信号1、反馈输出信号2和反馈输入信号3发送给功率控制模块250，功率控制模块250根据接收到的反馈输出信号1调节激光1的光路，根据接收到的反馈输出信号2调节激光2的光路和根据接收到的反馈输出信号3调节激光3的光路。
如此，光功率稳定系统200可以通过合束模块210和分束模块220，可以用一个光探测模块230实现多路光功率的反馈输入信号的收集，使从合束模块210至应用模块260的前端光路更加集成化，缩短反馈时间，体积更小，成本更低。通过控制模块240和功率控制模块250使合束模块210之前的后端光路的每一路的光功率都可以单独被控制。当需要增加光功率稳定的光路时，只要在后端光路上增加，不需要改变前端光路，光功率稳定系统200的可扩展性强。
在某些实施方式中，合束模块210包括光纤合束器。
具体地，可以使用光纤合束器作为实现合束模块210的功能的器件。光纤合束器，能够将多路激光合束到一根光纤中输出。光纤合束器包括输入光纤束、拉锥区域和输出光纤。多路激光传输进输入光纤束，经拉锥区域后形成一路激光后从输出光纤输出。
如此，光功率稳定系统200可以使用光纤合束器作为实现合束模块210的功能的器件。
在某些实施方式中，分束模块220包括分光镜。
具体地，可以使用分束镜作为实现分束模块220功能的器件。分束镜能够入射光束分束成具有一定光强比的反射光和透射光两部分。因此，可以将合束光按照一定的光强比分束成分束成反射光和透射光两部分，即第一子光束和第二子光束。
如此，光功率稳定系统200可以使用分束镜作为实现合束模块210功能的器件。
在某些实施方式中，光探测模块230包括光电探测器，光电探测器用于将接收到的第一子光束的光信号转化为电信号以生成所述反馈输入信号。
具体地，可以使用光电探测器作为实现光探测模块230功能的器件。光电探测器用于将接收到的第一子光束的光信号转化为电信号从而生成反馈输入信号。
如此，光功率稳定系统200可以使用光电探测器作为实现光探测模块230功能的器件。
在某些实施方式中，功率控制模块250包括信号产生模块251和功率控制器件252，信号产生模块251用于根据反馈输出信号产生射频信号以调节光功率。
具体地，可以使用信号产生模块251和功率控制器件252从而实现功率控制模块250的功能。其中，光功率稳定系统200可以设定多个信号产生模块251和多个功率控制器件252，每个信号产生模块251分别接收控制模块240发送的每一道反馈输出信号，并根据每一反馈输出信号产生对应的射频信号发送给对应的功率控制器件252，从而调节每一光路的光功率。
请参阅图4，接上一个示例，功率控制模块250设有三个信号产生模块251和三个功率控制器件252。信号产生模块251a接收反馈输出信号1并生成射频信号1后发送给功率控制器件252d，从而调节激光1的光路。信号产生模块251b接收反馈输出信号2并生成射频信号2后发送给功率控制器件252e，从而调节激光2的光路。信号产生模块251c接收反馈输出信号3并生成射频信号3后发送给功率控制器件252f，从而调节激光3的光路。
如此，可以使用信号产生模块和功率控制器件从而实现功率控制模块的功能。
在某些实施方式中，在信号产生模块251包括数字信号发生器，数字信号发生器用于产生射频信号，并根据反馈输出信号调节射频信号的幅度。
具体地，可以使用数字信号发生器作为实现信号产生模块251功能的器件，数字信号发生器产生射频信号后，接收到控制模块240发送的反馈输出信号，根据反馈输出信号调节产生的射频信号的幅度。然后，将调节好的射频信号发送给功率控制器件252。
如此，可以使用数字信号发生器作为实现信号产生模块251功能的器件。
在某些实施方式中，功率控制器件252包括声光调节器，声光调节器用于在射频信号驱动下调节光功率。
具体地，声光调节器可以作为功率控制器件252使用。声光调节器接收了信号产生模块发送的射频信号后，在射频信号驱动下调节激光的光功率。
如此，声光调节器可以作为功率控制器件使用。
在某些实施方式中，光功率稳定系统200还包括监控模块270，监控模块270与控制模块240通信连接，监控模块270用于向控制控制模块240设定每路激光的稳定目标值、预设算法的参数、多路激光的工作时序。
请参阅图4和图5，具体地，光功率稳定系统200还包括监控模块270，监控模块270与控制模块240可以通过通信连接，实现数据的双向传输。通信连接可以包括有线通信连接和无线通信连接，无线通信连接可以包括加入蓝牙（bluetooth）和无线网络通信技术（Wi-Fi）等技术的连接。
监控模块270设有如图5所示的可视化界面，使用者可以通过该界面输入每路激光的初始值、稳定目标值、预设算法的参数和多路激光的工作时序。监控模块270将使用者输入的相关信息传输给控制模块240后。控制模块240控制激光发射器按照工作时序依次发射多路激光。同时，控制模块240按照输入的每一路的初始值、稳定目标值和预设算法参数控制功率控制模块250调节激光，使激光稳定输出，并从光探测模块230获取反馈输入信号，从而检测光功率稳定系统200是否正常运行，以及促使每一路激光在各自的时序中被独立的稳定，最终的稳定点为稳定目标值。
如此，通过增加监控模块270，使每一光路都可以单独设定和修改初始值、稳定目标值、预设算法的参数，同时还可以修改和设定多路光路的工作时序，并且可以通过可视化界面显示离子阱量子计算系统1000的运行状态。
在某些实施方式中，应用模块260包括离子阱，第二子光束用于在不同工作时序分别对离子阱中的离子进行冷却、操控和读出。
具体地，可以使用离子阱实现应用模块260的功能。第二子光束根据工作时序先后含有不同的激光，并照射进离子阱。其中，不同激光可以实现不同的用途。例如，假设第二子光束先后含有三束激光，在离子阱量子计算系统1000的第一工作阶段，第二子光束含有第1束激光，第1束激光可以实现对离子的冷却。在第二工作阶段，第二子光束含有第2束激光，第2束激光可以实现对离子的态操控。在第三工作阶段，第二子光束含有第3束激光，第3束激光可以实现对离子的态读出。
如此，可以使用离子阱实现应用模块260的功能。
在本说明书的描述中，参考术语“某些实施方式”、“一个例子中”、“示例地”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施方式或示例以及不同实施方式或示例的特征进行结合和组合。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施方式所属技术领域的技术人员所理解。
尽管上面已经示出和描述了本申请的实施方式，可以理解的是，上述实施方式是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施方式进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种光功率稳定系统，其特征在于，包括：
合束模块，用于将空间中不同工作时序的多路激光的激光光路合束至合束光路中；
分束模块，用于将所述合束光路中的激光分束为光路不同第一子光束和第二子光束；
光探测模块，用于探测所述第一子光束以生成反馈输入信号；
控制模块，用于根据预设算法和工作时序处理所述反馈输入信号，为每一路激光生成对应的反馈输出信号；
功率控制模块，用于根据对应的所述反馈输出信号调节处于发射状态的每一路激光的光功率；
应用模块，用于对所述第二子光束进行应用。
2.根据权利要求1所述的光功率稳定系统，其特征在于，所述合束模块包括光纤合束器。
3.根据权利要求1所述的光功率稳定系统，其特征在于，所述分束模块包括分光镜。
4.根据权利要求1所述的光功率稳定系统，其特征在于，所述光探测模块包括光电探测器，所述光电探测器用于将接收到的第一子光束的光信号转化为电信号以生成所述反馈输入信号。
5.根据权利要求1所述的光功率稳定系统，其特征在于，所述功率控制模块包括信号产生模块和功率控制器件，所述信号产生模块用于根据所述反馈输出信号产生射频信号以调节所述光功率。
6.根据权利要求5所述的光功率稳定系统，其特征在于，所述信号产生模块包括数字信号发生器，所述数字信号发生器用于产生所述射频信号，并根据所述反馈输出信号调节射频信号的幅度。
7.根据权利要求5所述的光功率稳定系统，其特征在于，所述功率控制器件包括声光调节器，所述声光调节器用于在所述射频信号驱动下调节所述光功率。
8.根据权利要求1所述的光功率稳定系统，其特征在于，所述光功率稳定系统还包括监控模块，所述监控模块与所述控制模块通信连接，所述监控模块用于向所述控制模块设定每路所述激光的稳定目标值、所述预设算法的参数、所述多路激光的工作时序。
9.根据权利要求1所述的光功率稳定系统，其特征在于，所述应用模块包括离子阱，所述第二子光束用于在不同工作时序分别对所述离子阱中的离子进行冷却、操控和读出。
10.一种离子阱量子计算系统，其特征在于，包括至少一个激光发射器和根据权利要求1-9任一项所述的光功率稳定系统。
Priority Applications (1)
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