CN115482952A - 离子阱集成芯片及其制备方法、离子阱量子计算系统 - Google Patents

Abstract

一种离子阱集成芯片及其制备方法、离子阱量子计算系统。该离子阱集成芯片包括囚禁电极、超表面结构和传输组件，囚禁电极用于囚禁真空腔内离子；传输组件设于囚禁电极一侧，传输组件与囚禁电极的排列方向形成第一方向；传输组件包括多个传输单元，多个传输单元沿垂直第一方向的第二方向排列，每个传输单元对应一个离子；超表面结构沿第一方向设于囚禁电极和传输组件间、且位于传输组件出光侧；超表面结构包括至少一个衍射单元，每个衍射单元对应n个传输单元。该离子阱集成芯片通过传输组件与超表面结构两个结构在空间上进行特定的排布和映射可以实现多离子场景下对应每个离子的操控光独立传输且强聚焦的传输，从而可以实现对多离子的高保真操控。

Description

离子阱集成芯片及其制备方法、离子阱量子计算系统

技术领域

本申请涉及量子技术领域，尤其涉及一种离子阱集成芯片及其制备方法、离子阱量子计算系统。

背景技术

在量子计算机的物理实现方面，目前国际主流方案为采用离子阱系统或者超导系统。其中，采用离子阱系统采用离子阱集成芯片进行量子计算的基本过程如下：加热的原子外层电子被电离后形成离子；在真空腔中，离子阱集成芯片产生的交变的射频电场和直流电场将离子囚禁成离子链；被冷却光冷却的离子与自离子阱集成芯片出射的操控光相互作用达到特定的量子态；通过对量子态的操控实现量子计算。

在多离子场景下，离子量子态的操控由互相独立的操控光打到不同的离子上实现。现有离子阱集成芯片采用芯片上的囚禁电极产生囚禁电磁势阱囚禁离子，由囚禁电极下方的波导和光栅实现光纤中光的整形和聚焦，可以以较高的集成度实现离子的独立寻址。但是现有技术中的离子阱集成芯片存在如下缺点：1、单个光栅尺寸大于离子间距，无法实现大规模的高质量光斑阵列，多离子排布困难；2、受光栅尺寸限制，光斑尺寸无法比离子间距小很多，存在光斑对相邻离子的串扰。

因此，如何提供一种可以对真空腔内多离子链量子态进行高保真操控的离子阱集成芯片是亟待解决的问题。

发明内容

本申请提供一种离子阱集成芯片及其制备方法、离子阱量子计算系统，用以实现对真空腔内多离子链量子态的高保真操控。

第一方面，本申请提供一种离子阱集成芯片，该离子阱集成芯片应用于真空腔，以对真空腔中的离子进行操控。具体来说，该离子阱集成芯片包括沿第一方向排列的囚禁电极、超表面结构和传输组件，其中，囚禁电极用于囚禁真空腔内的离子，以形成离子链；传输组件用于将外部操控光引入至本申请提供的离子阱集成芯片内部；超表面结构用于将传输组件出射的光形成聚焦光，且将聚焦光经囚禁电极出射至离子链。至于传输组件和超表面结构的结构设置，传输组件包括多个沿第二方向排列的传输单元，多个传输单元沿第二方向在空间上保持一定距离，可以减小相邻传输单元间的能量串扰。值得注意的是，该第二方向垂直第一方向。超表面结构包括至少一个衍射单元，每个衍射单元对应n个传输单元(正整数)。在应用本申请提供的离子阱集成芯片时，外部操控光连接传输组件，每路操控光进入一个传输单元，且该路操控光经该传输单元所形成的独立的光通道出射；每个传输单元出射的光射入超表面结构，超表面结构调整光的方向、并将光汇聚在与每个传输单元对应的离子上。

本申请提供的离子阱集成芯片通过传输组件与超表面结构两个结构在空间上进行特定的排布和映射可以实现多离子场景下对应每个离子的操控光独立传输且强聚焦的传输，从而可以实现对多离子的高保真操控。具体来说，本申请提供的离子阱集成芯片中传输组件保障各个传输单元形成的光通道间的分立属性，超表面结构保持高质量的强聚焦的效果，传输组件独立传输的小孔径需求和超表面结构强聚焦的大孔径需求均可被满足，从而可以降低每个传输单元的平均占据面积，以及提升本申请提供的离子阱集成芯片能支持的离子数量。

在具体设置本申请提供的离子阱集成芯片时，可以沿第一方向，在传输组件与超表面结构间设置第一透明介质层，且设置第一透明介质层的折射率小于传输组件的有效折射率。以使传输组件出射的光在第一透明介质层内适当扩束。值得注意的是，第一透明介质层在第一方向上的厚度需满足预设值，以使光经过特定距离后照射至超表面结构。该超表面结构对来自每个光通道的光实现不同方向的聚焦，来自每个光通道的光最终会汇聚成一个很小的光斑。

在具体设置第一透明介质层时，可以设置第一透明介质层由一种材料制备形成或者由多种材料制备形成。示例性的，一种可能的具体实现方式中，第一透明介质层为单层结构。另一种可能的具体实现方式中，第一透明介质层包括沿第一方向层叠设置的第一子透明介质层和第二子透明介质层，且第二子透明介质层位于第一子透明介质层朝向传输组件一侧。值得注意的是，该第一子透明介质层和第二子透明介质层的折射率均小于传输组件的有效折射率，且第一子透明介质层与第二子透明介质层中每层子透明介质层在第一方向上的厚度相同或不同。

在具体设置传输组件和超表面结构时，可以设置一个或多个传输单元对应一个衍射单元，具体来说，至少包括以下几种设置形式。

一种可能的具体实现方式中，每个衍射单元对应一个传输单元，且每个传输单元的光通道与相邻传输单元间的光通道的偏振态正交。n个光通道用于对应包含m个离子的离子链，m大于等于n，且第i个光通道用于对应第i个执行独立计算的离子，i为正整数。对于每个衍射单元来说，每个衍射单元将来自与其对应的传输单元射出的光聚焦形成光斑，使得该光斑照射到与传输单元对应的离子上。

对于每个传输单元来说，可以复用与其对应的衍射单元两侧相邻的其它衍射单元。由于不同偏振态的光相位不同，会产生不同方向的聚焦，衍射产生的串扰也很小，所以每个衍射单元可以将来自不同传输单元的不同偏振态的光独立地汇聚，并照射到不同的离子上。由于共用重叠的复用区域，使得对应每个传输单元的通光孔径提升，聚焦光斑变小。

另一种可能的具体实现方式中，每个衍射单元对应n个传输单元，n为大于1的整数。超表面结构中每个衍射单元的孔径较大，从而可以保证超表面结构的强聚焦能力。n个传输单元中：每个传输单元的光通道与相邻传输单元的光通道的出光方向不同，且n个光通道用于对应包含m个离子的离子链，m大于等于n，且第i个光通道用于对应第m-i+1个执行独立计算的离子，i为正整数。由于不同传输单元之间照射在衍射单元的光存在入射角度差别，所以自同一个衍射单元出射后的聚焦的光斑可以打在不同离子上。同一个衍射单元与多个传输单元实现匹配可以保证离子链内多个离子间较小的离子间距。

在具体设置传输组件的结构时，可以设置每个传输单元包括用于将光引入本申请提供的离子阱集成芯片的波导和光栅。光栅与波导连接，用以实现光传播方向和相位分布的变化，同时空间上实现通道间的独立特性。示例性的，波导与光纤在本申请提供的离子阱集成芯片的边缘耦合，用以降低插入损耗。当然，波导与光的耦合位置并不限于此。当然，还可以在传输组件背离超表面结构一侧的反射层，以提升光栅的衍射效率。

对于传输组件中的多个传输单元来说，多个传输单元内的光栅沿第一方向排列、形成光栅阵列，每个光栅形成独立的光通道，通道间无串扰；多个传输单元内的波导沿第二方向排列，且相邻传输单元内的波导沿第三方向位于光栅阵列的两侧，以便于传输组件中各传输单元内的光引入。值得注意的是，第三方向垂直于第一方向和第二方向。

第二方面，本申请提供一种离子阱量子计算系统，该离子阱量子计算系统包括真空系统、激光系统、囚禁电磁场产生装置、探测装置以及控制系统。具体来说，真空系统具有真空腔，真空腔内放置有多个离子，且真空腔内设有如上述第一方面中任意技术方案提供的离子阱集成芯片。真空腔外的激光系统连接该离子阱集成芯片，用以将激光系统内的操控光输入至离子阱集成芯片的传输组件；囚禁电磁场产生装置与离子阱集成芯片的囚禁电极电连接，用以控制囚禁电极；控制系统分别与激光系统、囚禁电磁场产生装置以及探测装置信号连接，以发挥相应作用。

本申请提供的离子阱量子计算系统中离子阱集成芯片通过传输组件与超表面结构两个结构在空间上进行特定的排布和映射可以实现多离子场景下对应每个离子的操控光独立传输且强聚焦的传输，从而可以实现对多离子的高保真操控。

在具体设置本申请提供的离子阱量子计算系统时，可以在激光系统内设置用于产生操控光的操控光发射器，该操控光发射器组为至少一台。值得注意的是，每台操控光发射器可产生多路操控光；同时在控制系统内设置调制器，该调制器连接操控光发射器，且调制器的驱动开关用于控制操控光发射器内每一路操控光的开/关。示例性的，一种可能的实现方式中，调制器包括多个单路的光调制单元，每个光调制单元用以控制操控光发射器产生一路操控光。另一种可能的实现方式中，调制器包括一个多路光调制单元，该光调制单元每路可控制操控光发射器产生一路操控光。

第三方面，本申请还提供一种离子阱集成芯片的制备方法，该制备方法包括：

形成沿第一方向排列的囚禁电极、超表面结构和传输组件，使得超表面结构位于传输组件的出光侧，用以汇聚自传输组件输出的光、且将汇聚后光自囚禁电极射出；其中，

传输组件包括多个传输单元，多个传输单元沿第二方向排列，第二方向垂直第一方向；多个传输单元中每个传输单元形成一个独立的光通道，每个传输单元用于对应真空腔内的一个离子；

超表面结构包括至少一个衍射单元，每个衍射单元对应n个传输单元，n为正整数。

本申请提供的离子阱集成芯片的制备方法所制备的离子阱集成芯片通过传输组件与超表面结构两个结构在空间上进行特定的排布和映射可以实现多离子场景下对应每个离子的操控光独立传输且强聚焦的传输，从而可以实现对多离子的高保真操控。具体来说，本申请提供的离子阱集成芯片中传输组件保障各个传输单元形成的光通道间的分立属性，超表面结构保持高质量的强聚焦的效果，传输组件独立传输的小孔径需求和超表面结构强聚焦的大孔径需求均可被满足，从而可以降低每个传输单元的平均占据面积，以及提升本申请提供的离子阱集成芯片能支持的离子数量。

在形成沿第一方向排列的传输组件、超表面结构和囚禁电极时，还包括沿第一方向，在超表面结构与传输组件间形成第一透明介质层，以使传输组件出射的光在第一透明介质层内适当扩束。同时，使得第一透明介质层在第一方向上的厚度满足预设值。以使光经过特定距离后照射至超表面结构。该超表面结构对来自每个光通道的光实现不同方向的聚焦。

在形成离子阱集成芯片时，存在多种实现方式，具体至少包括以下几种制备方式中的一种。

一种可能的具体实现方式中，制备过程包括：

在第一透明介质层的两侧分别形成传输组件和超表面结构；

在超表面结构背离传输组件的一侧形成金属层，图案化金属层、形成具有透光区域的囚禁电极。

另一种可能的具体实现方式中，形成离子阱集成芯片的第一部分与第二部分，第一部分包括第一衬底及形成于第一衬底上的超表面结构，第二部分包括第二衬底及形成于第二衬底上的传输组件；将第一部分和第二部分对盒连接，其中，超表面结构位于第一衬底远离第二衬底一侧，传输组件位于第二衬底朝向第一衬底一侧，且传输组件与超表面结构之间的介质层形成第一透明介质层。

在该实现方式中，将第一部分和第二部分对盒的方式包括，方法一：固定连接第一部分与第二部分，使得第一部分内的第一衬底与第二部分内的传输组件背离第二衬底一侧直接接触。方法二，固定连接第一部分和第二部分，沿第一方向，使得第一部分内的第一衬底与第二部分内的传输组件间具有一定间隙，将间隙形成间隙层。该间隙层与第一衬底形成第一透明介质层。具体来说，该间隙内填充有空气或者为真空，空气或者真空形成间隙层。

附图说明

图1为现有技术中的离子阱集成芯片的俯视图；

图2为图1中离子阱集成芯片在B’-B’处的侧视图；

图3为图1中区域D’的放大示意图；

图4为基于图1中所示出的离子阱集成芯片所实现的多离子排布的结构图；

图5为量子比特的原理示意图；

图6为本申请实施例提供的离子阱量子计算系统的结构示意图；

图7为本申请实施例提供的离子阱量子计算系统的工作流程图；

图8为图6中离子阱量子计算系统的简化图；

图9为本申请实施例提供的离子阱集成芯片的结构示意图；

图10为本申请实施例一提供的离子阱集成芯片的结构图；

图11为图10中所示出的离子阱集成芯片在第一方向与第二方向所形成平面的结构；

图12为图10中所示出的离子阱集成芯片在第二方向与第三方向所述形成平面的俯视图；

图13为本申请实施例一提供的离子阱集成芯片在传输结构处的剖视图；

图14为本申请实施例二提供的离子阱集成芯片的结构图；

图15为本申请实施例三提供的离子阱集成芯片的结构图；

图16为图15中所示出的离子阱集成芯片在第二方向和第三方向所形成平面内的俯视图；

图17为本申请实施例四提供的离子阱集成芯片的结构图；

图18为图17中所示出的离子阱集成芯片在第二方向和第三方向所形成平面内的俯视图；

图19为本申请实施例四提供的离子阱集成芯片在传输结构处的剖视图；

图20为薄透镜原理介绍图；

图21为本申请实施例四提供的离子阱集成芯片应用于多种离子的结构图；

图22为图21中所示出的离子阱集成芯片在第二方向与第三方向所形成平面内的剖视图；

图23为本申请实施例提供的离子阱集成芯片的一种制备流程图；

图24为本申请实施例提供的离子阱集成芯片的另一种制备流程图；

图25为对应图24中流程图的结构示意图。

具体实施方式

为方便理解本申请实施例提供的离子阱集成芯片，首先介绍一下本申请实施例提供的离子阱集成芯片的应用场景。本申请实施例提供的离子阱集成芯片应用于离子阱量子计算系统中，通过对离子量子态的操控可以实现量子计算。图1为现有技术中的离子阱集成芯片001的俯视图。如图1所示出的结构，离子阱集成芯片100置于真空腔O’内，图1中两个长条状结构为射频电极01，两个射频电极01之间的细长条区域以及边缘连续的小块阵列均为直流电极02。射频电极01与直流电极02均与电源连接，在通电后射频电极01可以产生交变的射频电场，直流电极02可以产生直流电场。应理解，射频电场与直流电场配合产生用于囚禁离子的囚禁势阱。

图2为图1中离子阱集成芯片001在B’-B’处的侧视图。请结合图1参考图2所示出的结构，该离子阱集成芯片001与光纤002连接，光纤002中传输特定频率和偏振的操控光。操控光从光纤002耦合进入离子阱集成芯片001，经过波导03传输后耦合到光栅区域C’，聚焦的集成光束打在囚禁离子上，实现量子态操控。

图3为图1中区域D’的放大示意图。如图3所示，小球1和2即为示例的两个离子，图3中每个光栅04对应一个离子。图4为基于图1中所示出的离子阱集成芯片001所实现的多离子排布的俯视图，示例性的，离子与光栅04的数目均为5个。结合图4所示出的结构，可以看出以下问题：

1、单个耦合光栅04尺寸大于相邻离子(图中以标号的小球形式示出)间距，无法实现大规模的高质量光斑阵列，多离子排布困难。

2、受光栅04尺寸限制，光斑尺寸无法比离子间距小很多，存在光斑对相邻离子的串扰。

有鉴于此，本申请实施例提供一种离子阱集成芯片，用以实现对真空腔内多离子链量子态的高保真操控。

以下实施例中所使用的术语只是为了描述特定实施例的目的，而并非旨在作为对本申请的限制。如在本申请的说明书和所附权利要求书中所使用的那样，单数表达形式“一个”、“一种”、“所述”、“上述”、“该”和“这一”旨在也包括例如“一个或多个”这种表达形式，除非其上下文中明确地有相反指示。

在本说明书中描述的参考“一个实施例”或“一些实施例”等意味着在本申请的一个或多个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此，在本说明书中的不同之处出现的语句“在一个实施例中”、“在一些实施例中”、“在其他一些实施例中”、“在另外一些实施例中”等不是必然都参考相同的实施例，而是意味着“一个或多个但不是所有的实施例”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“包括”、“包含”、“具有”及它们的变形都意味着“包括但不限于”，除非是以其他方式另外特别强调。

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

首先说明本申请实施例中量子计算的含义。量子计算机的概念在1982年由费曼提出，核心就是利用量子体系来实现通用的量子计算。量子计算的基本原理是利用量子比特对信息进行编码，单个量子比特的状态不仅有0和1两种经典状态，还可以是0和1叠加的状态(如图5所示，量子比特可以处在一半几率在0态，一半几率在1态)。n个量子比特可以同时处于2ⁿ个量子态的叠加状态，进而实现指数的计算加速。在量子计算机的物理实现方面，目前国际主流方案为离子阱系统和超导系统。具体来说，本申请实施例提供的离子阱集成芯片应用于采用离子阱系统的离子阱量子计算系统中。

图6为本申请实施例提供的离子阱量子计算系统的结构图。如图6所示出的结构，本申请实施例提供的离子阱量子计算系统包括真空系统1-1。具体来说，真空系统1-1具有真空腔O。示例性的，该真空腔O为低温真空腔O，用于实现噪音的隔离与消除。请继续参考图6所示出的结构，该真空腔O内存在多个离子形成的离子链和本申请实施例提供的离子阱集成芯片100；该真空腔O外部设有激光系统1-2、囚禁电场产生装置1-3、用于对离子量子态进行探测的探测装置1-4以及控制系统1-5均。其中，激光系统1-2具体包括操控光、探测光以及电离、冷却、泵浦光，该激光系统1-2与离子阱集成芯片100连接；囚禁电磁场产生装置1-3与离子阱集成芯片100电连接，用以控制离子阱集成芯片100产生囚禁势阱；探测装置1-4由成像光路、荷藕合器件图像传感器(charge coupled device，CCD)和光电倍增管(photomultiplier tube，PMT)等组成，以对离子的量子态进行探测；控制系统1-5产生时序和开关等，以控制其他部分。具体来说，控制系统1-5分别与激光系统1-2、囚禁电磁场产生装置1-3以及探测装置1-4信号连接。

图7为本申请实施例提供的离子阱量子计算系统的工作流程图。请结合图6与图7所示内容对本申请实施例提供的离子阱量子计算系统的工作过程进行介绍，具体如下：囚禁电磁场发生装置1-3打开时，在真空腔O中，本申请实施例提供的离子阱集成芯片100通电，离子阱集成芯片100内交变的射频电场和直流电场产生囚禁电磁场，该囚禁电磁场将离子(加热的原子外层电子被电离后形成)囚禁成离子链，电离后的离子被囚禁在离子阱集成芯片100上方几十微米处；激光系统1-2内的冷却光、泵浦光对离子进行冷却和量子初始化，使得离子达到特定的量子态；然后，对离子进行边带冷却，且通过控制系统1-5控制激光系统1-2内的操控光对离子的量子态进行相干操作；操作完成后，由激光系统1-2发出的探测光和探测装置1-4对量子态进行操作结果的测量。

当真空腔O内每个离子链仅包含一个离子、形成单离子场景时，离子量子态的操控由如图6所示出的控制系统1-5对操控光进行时域控制实现。具体来说，控制系统1-5对在硬件上实现了光频率锁定、空间上扩束聚焦和对准的操控光进行时域控制。同时，量子门操作即由一系列操控光的时序产生。当真空腔O内每个离子链包括多个离子、形成多离子场景时，离子量子态的操控，由互相独立的操控光打到不同的离子上实现。同时，量子门操作通过控制系统1-5内的时序控制单元控制操控光的时长等完成。

图8为图6中离子阱量子计算系统的简化图。真空系统1-1的真空腔O内设有本申请实施例提供的离子阱集成芯片100，该离子阱集成芯片100主要运用于图7所示出的相干操作中。该离子阱集成芯片100上电和光的端口分别通过真空法兰与腔外连接。具体来说，本申请实施例提供的离子阱集成芯片100包括用于囚禁离子的囚禁电极10、用于进行光的传输与扩束的传输组件20以及起到聚焦作用的超表面结构30。应理解，图8中所示囚禁电极10、传输组件20与超表面结构30的结构仅为示意性说明。

请继续参考图8所示出的结构，囚禁电极10通过射频线连接真空腔O外的囚禁电磁场产生装置1-3，以实现电传输。实际工作时，控制系统1-5通过控制囚禁电极10的射频场来控制离子的分布，示例性的，离子链(以图8中标号1、2、3、4、5、6、7号小球示出)被囚禁在真空腔O中。传输组件20通过光纤1-6连接真空腔O外部的激光系统1-2，以实现操控光的传输。实际工作时，控制系统1-5通过控制光调制单元K来控制激光系统1-2内操控光的时域分布进而操控量子比特。

激光系统1-2内设有用于产生操控光的操控光发射器，该操控光发射器组为至少一台。具体来说，每台操控光发射器可产生多路操控光；控制系统1-5内设有调制器，该调制器连接操控光发射器，且调制器的驱动开关用于控制操控光发射器内每一路操控光的开/关。控制系统1-5根据量子门操作的相应时序控制每个离子对应的操控光的开关，进而对不同的离子进行寻址和量子态操作。示例性的，一种可能的实现方式中，调制器包括多个单路的光调制单元，每个光调制单元用以控制操控光发射器产生一路操控光。另一种可能的实现方式中，调制器包括一个多路光调制单元，该光调制单元每路可控制操控光发射器产生一路操控光。示例性的，如图8所示光调制单元K以光纤调制器的形式分布在真空腔O外，当然光调制单元K还可以以片上调制器的形式集成在本申请实施例的离子阱集成芯片100上(未示出)。

在进行操作时，存在以下操作方式：

单比特门操作：同一时刻只需要打开其中一个通道的操控光，通过控制调制器驱动信号的时序(时长和时差等)，对离子的量子态进行相干操作。

多比特门操作：当相邻通道的光同时打开，相邻的离子的量子态同时被操纵，可以实现紧邻量子比特的相干操作；当非紧邻通道的光同时打开，则非紧邻的离子的量子态同时被操纵，可以实现非紧邻量子比特的相干操作。由此，实现方式为使用现场可编程门阵列(field programmable gate array，FPGA)或电脑软件控制相应通道的调制器驱动信号，实现多比特门操作。

当然，激光系统1-2内各光频率的锁定也可以通过控制系统1-5实现，在此不再赘述。

图9为本申请实施例提供的离子阱集成芯片100的结构示意图，该离子阱集成芯片100置于真空腔O内。具体来说，如图9所示，多路光通过不同通道端口耦合进入传输组件20，传输组件20调整光的出光方向以及光斑大小、形成出射光。具体来说，该传输组件20包括多个沿第二方向排列的传输单元21，每个传输单元21可以是直接的波导元件，也可以是衍射元件如光栅、超透镜等，只需满足光从传输单元输出的光斑大小和传输方向即可。应理解，第二方向垂直传输组件20与超表面结构30排列方向所形成的第一方向。至于超表面结构30，该超表面结构30为由介质材料微结构单元构建的衍射元件，如偏振复用超透镜等。具体来说，该超表面结构30包括至少一个衍射单元31，每个衍射单元31对应n个传输单元21，n为正整数。值得注意的是，当衍射单元31为多个时，每个衍射单元31对应的传输单元21数量相同或不同，具体可以根据需求进行设置，在此不再赘述。

为了清晰的介绍传输单元21与衍射单元31的对应关系。如图9所示，由于每个传输单元21形成一个独立的光通道，则第i通道的传输单元21标记为A_i(i为选自1～N的正整数)，第p个衍射单元31标记为Fp(p为选自1～G的正整数)；n1表示复用的维度。示例性的，规定第1通道到第N通道中：第1通道到第n通道的传输单元21出射的光照射到衍射单元F1上。换句话说，第1通道到第n通道的传输单元21出射的光复用第一个衍射单元F1。依此类推，每一个标记为Fp的衍射单元31都有np个标记为A_i的传输单元21照射，同时输出np个光斑，n为大于0的整数。每个光斑对应打在一个执行独立计算的离子上，标记每个离子链中执行独立计算的离子为Wj(j为选自1-M的正整数，M等于N)。示例性的，衍射单元F1发出的光斑打在包含m个离子的离子链上，m等于n。所有衍射单元31输出的光斑构成一个一维阵列，不同光斑之间瑞利可分辨，且串扰小于20dB。

值得注意的是，衍射单元F1对应的离子链中的离子数目m可能大于与衍射单元F1对应的传输单元21的数目n，该离子链中部分离子作为协同离子。基于此，真空腔O内离子的总数目N大于传输单元21的总数目N。换句话说，本申请实施例提供的离子阱集成芯片100可应用于一种非完全独立寻址的场景。每束来自传输单元21的光可以照亮2个离子，做双比特门或者协同冷却情形,每个计算用的离子旁边存在一个协同冷却的离子，两个离子不同种类，因此，仅仅仅只执行独立计算的离子对寻址光有效，协同离子对寻址光无效，此时的光照射到两个离子上也可以工作。

在具体设置本申请实施例提供的离子阱集成芯片100时，还可以在传输组件20与超表面结构30间设置如图9所示出的第一透明介质层40，且控制第一透明介质层40的折射率小于传输组件20的有效折射率。以使传输组件20出射的光在第一透明介质层40内适当扩束，且经过特定距离后照射至超表面结构30。值得注意的是，第一透明介质层40在第一方向上的尺寸L需要满足预设值，而该预设值可以根据需求设置，在此不再赘述。

值得注意的是，本申请实施例提供的离子阱集成芯片100除了可用于规模化离子的光学寻址之外，还可以用于冷却光、泵浦光、初始化光的聚焦。具体来说，将该结构反向使用，即光从离子处发出，可以实现高效率的多离子的量子态荧光探测或荧光收集中。具体来说，示例性的，本申请实施例提供的离子阱集成芯片100在量子光学中的阵列强激发光源、非线性光学中的多路光参量放大等器件中，均可以得到有效应用；当本申请实施例提供的离子阱集成芯片100反向使用时，可以用于多路微弱小区域的信号收集、高性能多路光探测以及超灵敏多路光收集，例如电子倍增CCD(electronmultiplying CCD，EMCCD)、多通道光电倍增管(photo multiplier tube，PMT)、以及sCMOS(scientific CMOS)等器件的性能提升中。

由于可能多个传输单元21复用一个衍射单元31，则复用同一个衍射单元31的多个传输单元21中每个传输单元21具有不同的光学特性，示例性的，该光学特性为偏振、波长或入射角等。配合每个传输单元21的光学特性以及传输单元21与衍射单元31的对应关系，本申请实施例提供的离子阱集成芯片100有多种实现可能，具体至少包括以下几种实施例。值得注意的是，为了便于介绍每个传输单元21的光学特性以及传输单元21与衍射单元31的对应关系，设定下述方案中各衍射单元31对应的离子链内离子数目与传输组件21的数目相同。当然，离子链内的离子数目可以大于传输组件21的数目，在此不再赘述。

实施例一

图10示出了本申请实施例一提供的离子阱集成芯片100的结构。如图10所示出的结构，该离子阱集成芯片100的应用场景中每个离子链包含多个离子。应理解，图10中结构为了方便起见，离子链中仅示出了三个小球代表离子。

图11为图10中所示出的离子阱集成芯片100在第一方向与第二方向所形成平面的结构图。图12为图10中所示出的离子阱集成芯片100在第二方向与第三方向所述形成平面的俯视图。该第三方向垂直第一方向与第二方向。如图11和图12所示出的结构，囚禁电极10和传输组件20沿第一方向排列，超表面结构30沿第一方向位于囚禁电极10与传输组件20之间，传输组件20与超表面结构30间设有第一透明介质层40。传输组件20与超表面结构30之间的矩形区域表示光在第一透明介质层40内自由传播，且适当扩束。超表面结构30与离子之间的三角形区域为光在均匀介质和空气中自由传播区域。此外，值得注意的是，传输组件20背离超表面结构30一侧设置有反射层50，以提升传输组件20的衍射效率。

当然，还存在传输组件20所在的透明介质层60和超表面结构30所在的透明介质层70。该透明介质层70与第一透明介质层40的制备材料相同或不同，且第一透明介质层40的折射率小于用于制备传输组件20的透明介质层60的有效折射率。由于透明介质层70与第一透明介质层40的折射率相同或不同，所以图11所示出的光线可能在膜层交接处存在偏折，此处图11仅为示意性说明，故未示出该光线偏折结构。

由于离子链中仅示出了三个离子，因而图11中的传输组件20仅示出了沿第二方向排列的三个传输单元21，同样的，超表面结构30仅示出了沿第二方向排列的三个衍射单元31。值得注意的是，传输组件20与超表面结构30的设置位置对应囚禁电极10的透光区域E。请参考图11，在第一方向与第二方向所形成平面内，传输组件20、超表面结构30与第一透明介质层40均处于囚禁电极10下方。请参考图12，在第二方向与第三方向所形成平面内，超表面结构30的轮廓可以从透光区域E中看到，示例性的，超表面结构30为超透镜，这里超透镜可以是离轴出射，也可以是傍轴出射。

应理解，透光区域E部分的电极被去除，以实现光透过，且该透光区域E可以为如图11所示出的透光孔。采用较小的孔通光，可以产生较深的囚禁电磁势场。当然，也可以设置透光区域E为较大的透光孔形成，具体根据需求进行设置，在此不再赘述。

请继续参考图11和图12所示出的结构，对于衍射单元31来说，每个衍射单元31由厚度相同的不同形状尺寸例如椭圆的基本单元构成。当然，每个衍射单元31还可为方形等其它形状，在此不再赘述。相邻的传输单元21复用一个衍射单元31。换句话说，相邻衍射单元31之间存在如图12所示出的复用区域S。应理解，由于相邻衍射单元31间存在复用区域S，所以单束光通过超表面结构30的通光孔径可以提升，从而可以缩小聚焦光斑。

应理解，图11中结构省略囚禁电极10和外部装置的连接结构。且本申请实施例一中的囚禁电极10具体包含直流电极与射频电极，由于该直流电极与射频电极的结构与图1现有技术所示出的结构相同或相似，故未标识出。

为保证复用衍射单元31不会影响每个传输单元21光线传输的独立性，设置相邻传输单元21间的偏振态正交。示例性的，如图11所示，传输单元21内横竖条纹表示其传输光的偏振态，横条纹和垂直条纹表示其偏振互相正交，如TE(Transverse Electric)偏振和TM(Transverse Magnetic)偏振。请参考图12所示出的结构，圆形轮廓为每个衍射单元31的边界，复用区域S同时对两种偏振响应。由于不同偏振的光由于相位不同会产生不同方向的聚焦，且衍射产生的串扰也很小，所以来自两个传输单元21的光在复用区域S内不会产生影响。基于此，相邻传输单元21间的间距得到压缩，可以实现多离子(甚至无穷多离子)的寻址。如图11所示，光栅212的平均尺寸X(每个矩形块的尺寸)小于离子链中相邻离子的间距Y(相邻离子中心的距离)。

图13为本申请实施例提供的离子阱集成芯片100在传输组件20处的剖视图，即第二方向与第三方向所形成平面内的剖视图。如图13所示出的结构，以一个传输单元21为例，传输单元21示例性的包括一个波导211和一个光栅212。应理解，传输单元21的结构并不限于此，还可为其它结构，具体可根据需求进行设置，在此不再赘述。请继续参考图13所示出的结构，方形和扇形的拼接图形表示一个传输单元21，其中方形表示一个波导211，扇形表示一个光栅212，每个波导211与一个以圆角矩形示出的光纤1-6连接，且每个波导211与与其对应的光栅212连接。示例性的，波导211可以设置为如图14所示出的限制偏振态的形式，当然波导211还可设置为不限制偏振态的形式，具体根据需求进行设置。光栅212由介质材料的非周期性结构构成，其结构的设计与波长和焦距匹配。在每组波导211和光栅212形成的传输单元21中，由于光在空间上是分离的，因而相邻传输单元21形成的光通道间无串扰。

请继续参考图13所示出的结构，本申请实施例提供的离子阱集成芯片100两侧的光纤1-6都通过边缘耦合进入到不同偏振的波导211中，可以提升耦合效率，且可以降低插入损耗。同时，相邻传输单元21内的波导211沿第三方向位于光栅212所形成阵列的两侧。该结构设置可以便于传输组件20中各传输单元21内的光引入。示例性的，可以设置位于图14上侧的波导211输入TE偏振光，位于图14下侧的波导211进入TM偏振光，之后各光线经过与其对应的光栅212垂直于第二方向与第三方向所形成平面输出。

结合附图11、图12以及图13对本申请实施例一提供的离子阱集成芯片100内部光路传输过程进行介绍，具体如下：

各通道的操控光经由离子阱集成芯片100边缘耦合进入各波导211，相邻通道的波导211传输不同的偏振的光；光在各光栅212处沿垂直于第二方向与第三方向所形成平面方向输出；反射层50辅助光栅212衍射；光线经光栅212出设后在第一透明介质层40内适当扩束，经预设距离后进入超表面结构30；超表面结构30对不同偏振的衍射光实现不同方向的聚焦，每个光斑打在对应的离子上，且聚焦的多个光斑中心连缀成一条链，且传输组件20内第i个光通道用于对应第i个执行独立计算的离子，i为正整数。

实施例二

图14为本申请实施例二提供的离子阱集成芯片100的结构图，该实施例二中离子阱集成芯片100与实施例一中离子阱集成芯片100的区别仅在于传输组件20与超表面结构30之间的第一透明介质层40为多层结构。示例性的，如图14所示，第一透明介质层40包括沿第一方向层叠设置的第一子透明介质层41和第二子透明介质层42，该第二子透明介质层42位于第一子透明介质层41朝向传输组件20一侧。第一子透明介质层41的制备材料可以与实施一中的第一透明介质层40的制备材料相同或者相似，而第二子透明介质层42可为真空/空气层。当然，还可将实施例一中的第一透明介质层40全部采用真空/空气层替代，在此不再赘述。

实施例三

图15为本申请实施例三提供的离子阱集成芯片100的结构图。图16为图15中所示出的离子阱集成芯片100在第二方向和第三方向所形成平面内的俯视图。如图16和图15所示的该实施例三中离子阱集成芯片100与实施例一中离子阱集成芯片100的区别在于超表面结构30内衍射单元31不存在如图12所示出的交叠区域S。换句话说，传输单元21并未复用衍射单元31。

实施例四

图17为本申请实施例四提供的离子阱集成芯片100的结构图。图18为图17中所示出的离子阱集成芯片100在第二方向和第三方向所形成平面内的俯视图。图19为本申请实施例四提供的离子阱集成芯片100在传输组件20处的剖视图。如图17所示出的结构，波导211和光栅212所形成的传输单元21与实施例一和实施例二中传输单元21保持相同的空间排布，但每个传输单元21内传输的光偏振态不做限制，且每个传输单元21的出射角度不同；超表面结构30中每个衍射单元31的孔径更大，且同一个衍射单元31中与多个传输单元21实现匹配。示例性的，如图17和图18所示，n个传输单元21对应一个衍射单元31，每条离子链内离子的数目m等于衍射单元31的数目n个，且m个离子为同一种离子。值得注意的是，第i个光通道用于对应第m-i+1个执行独立计算的离子，i为正整数示例性的，在第二方向上沿图17的右侧至左侧方向，第1个传输单元21对应第m个离子，第n个传输单元21对应第1个离子。

本申请实施例四中的离子阱集成芯片100通过不同传输单元21的出射光在同一个衍射单元31的入射角度差别这一结构设定，使得来自不同传输单元21的光自衍射单元31出射后可以聚焦在不同离子上，从而可以实现多离子寻址。

具体来说，如图17和图18所示出的超表面结构30中每个衍射单元31示例性的选用超透镜。该超透镜的相位特性与薄透镜相同，这里以薄透镜来说明本申请实施例提供的离子阱集成芯片100的基本原理，具体原理如图20所示：每个薄透镜后焦面上光斑的位置与入射角和焦距有关，如果两束光的角度差为θ，那么在后焦面上成像点的距离dx＝fθ。

由此可知，当入射角度不同，每个衍射单元31后焦面位置上的光斑位置也会不同。基于该原理，将照射到衍射单元31上的入射光的角度设计为偏差θ(示例性的设置为0.1rad)，则在焦距为f(示例性的设置为50um)的后焦面上，光斑的横向偏差为dx＝fθ(5um)。小偏离角θ可以实现高效的光斑聚焦和良好的形貌，进而有望提升计算速度和可靠性。

为了避免出现由于入射角过大而产生光斑变形或无法聚焦的情况，入射角的角度不宜太大(示例性的控制在20°～0.4rad以内)。应理解，该角度范围足以使得单个衍射单元31复用于n(示例性设为8)个传输单元21出光。这样，单束光通过衍射单元31时的通光孔径可以达到n*dx(示例性的为如40um)。这种情形下，大孔径保证了强聚焦能力，多离子复用同一衍射单元31可以保证较小的离子间距。相邻离子间距为单束光通过衍射单元31时的通光孔径除以共用同一衍射单元31的传输单元数目n，且第i个光通道用于对应第m-i+1个执行独立计算的离子，i为正整数。

示例性的，当每个聚焦光斑的半径为0.75um时，衍射单元31的数值孔径需要达到0.28，一般衍射单元31与离子间焦距f＝50um为常用情景，单束光通过衍射单元31时的通光孔径可以达到2xfx数值孔径，经计算为28um。而离子间距等于通光孔径除以离子数目，示例性的为28um除以8等于3.5um,可以实现更高的计算速度。

值得注意的是，本申请实施例四中提供的离子阱集成芯片100还可如图14所示出的实施例二中的离子阱集成芯片100一样，将第一透明介质40成设置成双层结构。由于仅为透明介质层40的结构变化，故未以附图形式示出。

本申请实施例四提供的离子阱集成芯片100还应用于相邻的m个离子不是同一种离子的场景，如图21所示如以m＝2为例，选用Yb+和Ca+，寻址波长分别选取370nm和729nm，排布遵循交替排列的规律。在多离子协同工作的离子阱量子计算系统中，利用一个衍射单元31可以拿来寻址多个不同离子，离子种类数量等于波长的数量，也是复用的次数。

利用光在介质中独立传播和不同颜色光互不干涉的基本原理，实现不同波长光的相对分离。超表面结构30的每个衍射单元31(示例性的为纳米天线)经过设计，可以对不同波长的光产生不同的相位，由衍射单元31根据衍射相位构建出对不同波长具有不同聚焦位置的超透镜。

当然，由于m个离子不是同一种离子，则对应该应用场景的离子阱集成芯片100与如图17所示出的离子阱集成芯片100对于衍射单元31的孔径设置会稍有差异。图22为图21中所示出的离子阱集成芯片100在第二方向与第三方向所形成平面内的剖视图，该剖视图中示出了传输组件20。请结合图21参考图22中所示出的结构，具体来说，由于相邻量子比特采用的离子不同，所以与各离子对应的操控光的波长也不同。因而，相邻的传输单元21针对不同波长的光实现耦合输出。自传输单元21出射后扩束后的光斑大小或方向不同，衍射单元31尺寸较大，同一个衍射单元31大小接近n个不同波长的光栅212孔径之和，且在空间上与n个光栅212组成的阵列对齐，并将不同波长的光聚焦在不同的离子上。

常用的计算离子可以选择Yb+(寻址波长为370nm)、Be+(寻址波长为313nm)、Sr+(寻址波长为674nm)、Ca+(寻址波长为729nm)。

当然，除上述实施例一至实施例四中所提供的传输单元21与衍射单元31的设置关系外，还可采用相同的传输单元21，仅对传输单元21内传输的操控光进行调节。

本申请还提供一种用于制备如图10中所示出的离子阱集成芯片100的制备方法，该制备方法包括：

形成沿第一方向排列的囚禁电极10、超表面结构30和传输组件20，使得超表面结构30位于传输组件20的出光侧，用以汇聚自传输组件20输出的光、且将汇聚后光自囚禁电极10射出；其中，传输组件20包括多个如图10所示出的传输单元21，多个传输单元21沿第二方向排列，第二方向垂直第一方向；多个传输单元21中每个传输单元21形成一个独立的光通道，每个传输单元21用于对应真空腔O内的一个离子；超表面结构30包括至少一个衍射单元31，每个衍射单元31对应n个传输单元21，n为正整数。

应理解，本申请提供的离子阱集成芯片100的制备方法所制备的离子阱集成芯片100通过传输组件20与超表面结构30两个结构在空间上进行特定的排布和映射可以实现多离子场景下对应每个离子的操控光独立传输且强聚焦的传输，从而可以实现对多离子的高保真操控。具体来说，本申请提供的离子阱集成芯片100中传输组件20保障各个传输单元21形成的光通道间的分立属性，超表面结构30保持高质量的强聚焦的效果，传输组件20独立传输的小孔径需求和超表面结构30强聚焦的大孔径需求均可被满足，从而可以降低每个传输单元21的平均占据面积，以及提升本申请提供的离子阱集成芯片100能支持的离子数量。

在形成沿第一方向排列的传输组件20、超表面结构30和囚禁电极10时，还包括沿第一方向，在超表面结构30与传输组件20间形成如图9中所示出的第一透明介质层40，以使传输组件20出射的光在第一透明介质层40内适当扩束。同时，使得第一透明介质层40在第一方向上的厚度满足预设值。以使光经过特定距离后照射至超表面结构30。该超表面结构30可对来自每个光通道的光实现不同方向的聚焦。

在形成本申请提供的离子阱集成芯片100时，存在多种实现方式，具体至少包括以下几种制备方式中的一种。

一种可能的具体实现方式中，如图23所示，具体制备过程包括：

步骤S101：在第一透明介质层40的两侧分别形成传输组件20和超表面结构30；

步骤S102：在超表面结构30背离传输组件20的一侧形成金属层，图案化金属层、形成具有透光区域的囚禁电极10。

该制备方式可形成如图11所示出的实施例一中提供的离子阱集成芯片100的结构。

另一种可能的具体实现方式中，如图24和图25所示，具体制备过程包括：

步骤S201：形成离子阱集成芯片100的第一部分101与第二部分102，第一部分101包括第一衬底80及形成于第一衬底80上的超表面结构30，第二部分102包括第二衬底60及形成于第二衬底60上的传输组件20；

步骤S202：将第一部分101和第二部分102对盒连接，其中，超表面结构30位于第一衬底80远离第二衬底60一侧，传输组件20位于第二衬底60朝向第一衬底80一侧。

值得注意的是，将第一部分101和第二部分102对盒的方式包括，方法一：固定连接第一部分101与第二部分102，使得第一部分101内的第一衬底80与第二部分102内的传输组件20背离第二衬底60一侧直接接触。在采用该方式对盒后，可制备如图11所示出的实施例一中提供的离子阱集成芯片100的结构，且第一衬底80形成第一透明介质层40。

方法二，固定连接第一部分101和第二部分102，沿第一方向，使得第一部分101内的第一衬底80与第二部分102内的传输组件20间具有一定间隙。在采用该方式对盒后，可制备如图12所示出的实施例二中提供的离子阱集成芯片100的结构，第一衬底80形成第一子透明介质层41，第一衬底80与传输组件20间的间隙内填充有空气或者为真空，空气或者真空形成第二子透明介质层42。

值得注意的是，在上述两种对盒方式中，第一部分101与第二部分102之间粘结或由外部机械结构固定。该具体实现方式中，通过将离子阱集成芯片100分成两部分，可以通过外部机械件或两部分配合调节第一部分与第二部分间的间距，从而可以实现对聚焦光的位置和大小的调节，进一步提升光学结构和电极结构的配合。

以上，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (17)

1.一种置于真空腔内的离子阱集成芯片，其特征在于，包括：囚禁电极、超表面结构和传输组件，其中，

所述囚禁电极用于囚禁离子；

所述传输组件设于所述囚禁电极一侧，且所述传输组件与所述囚禁电极的排列方向形成第一方向；所述传输组件包括多个传输单元，多个所述传输单元沿第二方向排列，所述第二方向垂直所述第一方向；多个所述传输单元中每个传输单元形成一个独立的光通道，每个所述传输单元用于对应所述真空腔内的一个离子；

所述超表面结构沿第一方向设于所述囚禁电极和所述传输组件之间，且所述超表面结构位于所述传输组件的出光侧，用以汇聚自所述传输单元输出的光、且将汇聚后形成的聚焦光自所述囚禁电极射出；所述超表面结构包括至少一个衍射单元，每个所述衍射单元对应n个传输单元，n为正整数。

2.如权利要求1所述的离子阱集成芯片，其特征在于，沿第一方向，所述超表面结构与所述传输组件间设有第一透明介质层，且所述第一透明介质层在所述第一方向上的厚度满足预设值。

3.如权利要求2所述的离子阱集成芯片，其特征在于，所述第一透明介质层为单层结构。

4.如权利要求2所述的离子阱集成芯片，其特征在于，所述第一透明介质层包括沿第一方向层叠设置的第一子透明介质层和第二子透明介质层，所述第二子透明介质层位于所述第一子透明介质层朝向所述传输组件一侧。

5.如权利要求1-4任一项所述的离子阱集成芯片，其特征在于，每个所述衍射单元对应一个传输单元，且每个所述传输单元的光通道与相邻所述传输单元间的光通道的偏振态正交，n个所述光通道用于对应包含m个离子的离子链，m大于等于n，且第i个光通道用于对应第i个执行独立计算的离子，i为正整数。

6.如权利要求1-4任一项所述的离子阱集成芯片，其特征在于，每个所述衍射单元对应n个传输单元，n为大于1的整数，且n个所述传输单元中：

每个所述传输单元的光通道与相邻所述传输单元的光通道的出光方向不同，且n个所述光通道用于对应包含m个离子的离子链，m大于等于n，且第i个光通道用于对应第m-i+1个执行独立计算的离子，i为正整数。

7.如权利要求1-6任一项所述的离子阱集成芯片，其特征在于，每个所述传输单元包括用于将光引入所述离子阱集成芯片的波导和光栅，所述光栅连接所述波导；所述传输组件中：

多个所述传输单元内的光栅沿第一方向排列、形成光栅阵列；多个所述传输单元内的波导沿第二方向排列，且相邻所述传输单元内的波导沿第三方向位于所述光栅阵列的两侧，所述第三方向垂直于所述第一方向和所述第二方向。

8.如权利要求1-7任一项所述的离子阱集成芯片，其特征在于，还包括设于所述传输组件背离所述超表面结构一侧的反射层。

9.一种离子阱量子计算系统，其特征在于，包括真空系统，所述真空系统具有真空腔，所述真空腔内具有多个离子，且所述真空腔内置有如权利要求1-8任一项所述的离子阱集成芯片；还包括设于所述真空腔外的激光系统、囚禁电磁场产生装置、探测装置以及控制系统，其中，

所述激光系统连接所述离子阱集成芯片，用以将所述激光系统内的操控光输入至所述离子阱集成芯片的传输组件；

所述囚禁电磁场产生装置与所述离子阱集成芯片的囚禁电极电连接，用以控制所述囚禁电极；

所述控制系统分别与所述激光系统、所述囚禁电磁场产生装置以及探测装置信号连接。

10.如权利要求9所述的离子阱量子计算系统，其特征在于，所述激光系统包括至少一台操控光发射器，每台所述操控光发射器可产生多路操控光；所述控制系统包括调制器，所述调制器连接所述操控光发射器，且所述调制器的驱动开关用于控制所述操控光发射器内每一路操控光的开/关。

11.如权利要求10所述的离子阱量子计算系统，其特征在于，所述调制器包括多个单路的光调制单元，每个所述光调制单元用以控制所述操控光发射器产生一路操控光；或者，

所述调制器包括一个多路光调制单元。

12.一种离子阱集成芯片的制备方法，其特征在于，包括：

形成沿第一方向排列的囚禁电极、超表面结构和传输组件，使得所述超表面结构位于所述传输组件的出光侧，用以汇聚自所述传输组件输出的光、且将汇聚后光自所述囚禁电极射出；其中，

所述传输组件包括多个传输单元，多个所述传输单元沿第二方向排列，所述第二方向垂直所述第一方向；多个所述传输单元中每个传输单元形成一个独立的光通道，每个所述传输单元用于对应真空腔内的一个离子；

所述超表面结构包括至少一个衍射单元，每个所述衍射单元对应n个传输单元，n为正整数。

13.如权利要求12所述的制备方法，其特征在于，所述形成所述沿第一方向排列的传输组件、超表面结构和囚禁电极时，还包括沿第一方向，在所述超表面结构与所述传输组件间形成第一透明介质层，使得所述第一透明介质层在所述第一方向上的厚度满足预设值。

14.如权利要求13所述的制备方法，其特征在于，所述形成所述沿第一方向排列的传输组件、超表面结构和囚禁电极的方法包括：

在第一透明介质层的两侧分别形成传输组件和超表面结构；

在所述超表面结构背离所述传输组件的一侧形成金属层，图案化所述金属层、形成囚禁电极。

15.如权利要求13所述的制备方法，其特征在于，所述形成所述沿第一方向排列的传输组件、超表面结构和囚禁电极的方法包括：

形成所述离子阱集成芯片的第一部分与第二部分，所述第一部分包括第一衬底及形成于所述第一衬底上的超表面结构，所述第二部分包括第二衬底及形成于所述第二衬底上的传输组件；

将所述第一部分和所述第二部分对盒连接，其中，所述超表面结构位于所述第一衬底远离所述第二衬底一侧，所述传输组件位于所述第二衬底朝向第一衬底一侧，且所述传输组件与所述超表面结构之间的介质层形成所述第一透明介质层。

16.如权利要求15所述的制备方法，其特征在于，所述将所述第一部分和所述第二部分对盒连接的方法包括：

固定连接所述第一部分与所述第二部分，使得所述第一部分内的第一衬底与所述第二部分内的传输组件背离所述第二衬底一侧直接接触。

17.如权利要求15所述的制备方法，其特征在于，所述将所述第一部分和所述第二部分对盒连接的方法包括：

固定连接所述第一部分和所述第二部分，沿第一方向，使得所述第一部分内的第一衬底与所述第二部分内的传输组件间具有一定间隙，所述间隙形成间隙层，且所述间隙层与所述第一衬底形成所述第一透明介质层。

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