CN115701614A - 宽带协同电磁感应透明（eit）冷却 - Google Patents

Abstract

使用S至P至D的EIT冷却操作来冷却限制在原子对象限制装置的特定区域中的原子对象。与所述原子对象限制装置相关联的控制器控制第一操纵源和第二操纵源，分别给所述特定区域提供第一操纵信号和第二操纵信号。第一操纵信号由第一波长表征，该第一波长对应于所述原子对象的第一组分的S流形与P流形之间的跃迁，并且从S至P跃迁失谐第一失谐量。第二操纵信号由第二波长表征，该第二波长对应于所述第一组分的P流形与D流形之间的跃迁，并且从P至D跃迁失谐第二失谐量。选择所述第一失谐量和所述第二失谐量以建立与S流形与D流形之间的双光子跃迁相关的暗状态。

Description

宽带协同电磁感应透明(EIT)冷却

技术领域

各个实施例涉及由原子对象限制装置限制的原子对象的激光冷却。例如，各个实施例涉及使用S至P至D转换的协同EIT冷却。例如，各个实施例涉及使用原子对象时钟状态的协同(sympathetic)EIT冷却。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2021年8月2日提交的美国申请第63/228,486号的优先权，其内容通过引用全部并入本文。

背景技术

在各种情况下，希望冷却由离子阱捕获的离子，使得可以对离子执行各种操作(例如，实验、受控量子演化等)。然而，传统的激光冷却技术趋于复杂和/或需要高功率激光束。通过应用努力、独创性和创新，已经通过开发根据本发明实施例构造的解决方案来解决这种常规激光冷却系统的许多缺陷，本文详细描述了这些实施例的许多示例。

发明内容

示例实施例提供用于基于原子对象的第一组分的S流形的一个或更多个状态，通过原子对象的第一组分的P流形，到原子对象的第一组分的D流形的一个或更多个状态之间的双光子共振跃迁，执行EIT冷却的量子计算机、系统、装置等以及相应方法。示例实施例提供用于基于原子对象的第一组分的时钟状态，执行EIT冷却的量子计算机、系统、装置等以及相应方法。在各个实施例中，原子对象是原子晶体、原子组(中性和/或电离的)，或分子组(中性和/或电离的)，并且原子对象的组分(例如，第一组分)是原子对象的具体类型(例如，元素类型、化学式等)的至少一个原子或分子。例如，在一个示例实施例中，原子对象包括第一元素类型的冷却离子和第二元素类型的量子位离子，其中，冷却离子在本文中被称为示例原子对象的第一组分。例如，在一个示例实施例中，原子对象的第一组分通过EIT冷却来冷却，并且原子对象的第二组分通过与原子对象的第一组分的相互作用而通过协同冷却来冷却。在一个示例实施例中，第二组分用作量子计算机的量子位。

根据一个方面，提供了一种用于冷却由原子对象限制装置限制的原子对象的方法。在一个示例实施例中，该方法包括通过与原子对象限制装置相关联的控制器，控制第一操纵源，以将第一操纵信号提供给原子对象限制装置的特定区域。该方法还包括通过控制器，控制第二操纵源，以将第二操纵信号提供给原子对象限制装置的特定区域。待冷却的原子对象位于原子对象限制装置的特定区域。第一操纵信号由第一波长表征，该第一波长对应于原子对象的第一组分的S流形与P流形之间的跃迁，并且从S流形与P流形之间的跃迁失谐第一失谐量。第二操纵信号由第二波长表征，该第二波长对应于原子对象的第一组分的P流形与D流形之间的跃迁，并且从P流形与D流形之间的跃迁失谐第二失谐量。选择第一失谐量和第二失谐量以建立与S流形和D流形之间的双光子跃迁相关的暗状态。

在一个示例实施例中，原子对象是包括两个或更多个离子的离子晶体，并且原子对象的第一组分是第一原子对象类型的两个或更多个离子中的至少一个。

在一个示例实施例中，原子对象的第一组分被配置为用作晶体的协同冷却方案中的冷却剂离子。

在一个示例实施例中，原子对象的第二组分是第二原子对象类型的两个或更多个离子中的至少一个，第二原子对象类型不同于第一原子对象类型，并且其中，第二原子对象类型的两个或更多个离子中的至少一个被配置为用作包括原子对象限制装置的量子计算机的量子位。

在一个示例实施例中，第一失谐量和第二失谐量大致相等。在一个示例实施例中，第一操纵信号是π极化激光束，并且第二操纵信号是σ极化激光束。

在一个示例实施例中，第一操纵信号的极化和第二操纵信号的极化对应于与暗状态相关联的双光子跃迁。

在一个示例实施例中，所述方法还包括使得在原子对象限制装置的特定区域中生成具有磁场方向的磁场，其中，原子对象或原子对象限制装置的特定区域中的一个限定原子对象轴，并且磁场方向横向于原子对象轴。

在一个示例实施例中，磁场方向和原子对象轴形成三十度到六十度的角度。

在一个示例实施例中，第一操纵信号限定横向于原子对象轴的第一传播方向，并且第二操纵信号限定横向于原子对象轴的第二传播方向。

在一个示例实施例中，第一传播方向和第二传播方向大致相互反平行，并且磁场方向横向于第一传播方向和第二传播方向两者。

在一个示例实施例中，第一传播方向和第二传播方向两者都大致垂直于磁场方向。

在一个示例实施例中，(a)第一操纵信号的极化大致横向于由原子对象限制装置限定的平面，(b)第二操纵信号的极化大致横向于由原子对象限制装置限定限定的平面，并且(c)第一传播方向、第二传播方向和磁场方向分别大致平行于原子限制装置所限定的平面。

根据另一方面，提供了一种被配置为引起和/或控制由原子对象限制装置限制的原子对象的冷却的装置。在一个示例实施例中，该装置包括至少一个处理器和存储计算机可执行指令的存储器。所述计算机可执行指令被配置为，当被所述至少一个处理器执行时，使得所述装置至少控制第一操纵源向原子对象限制装置的特定区域提供第一操纵信号；控制第二操纵源向原子对象限制装置的特定区域提供第二操纵信号。待冷却的原子对象位于原子对象限制装置的特定区域内。第一操纵信号和第二操纵信号被配置为共同冷却原子对象。第一操纵信号由第一波长表征，该第一波长对应于原子对象的第一组分的S流形与P流形之间的跃迁，并且从S流形与P流形之间的跃迁失谐第一失谐量。第二操纵信号由第二波长表征，该第二波长对应于原子对象的第一组分的P流形与D流形之间的跃迁，并且从P流形与D流形之间的跃迁失谐第二失谐量。选择第一和第二失谐量以建立与S流形和D流形之间的双光子跃迁相关的暗状态。

在一个示例实施例中，该装置是包括原子对象限制装置的量子计算机的控制器。

在一个示例实施例中，原子对象是包括两个或更多个离子的离子晶体，并且原子对象的第一组分是第一原子对象类型的两个或更多个离子中的至少一个。

在一个示例实施例中，原子对象的第一组分被配置为用作晶体的协同冷却方案中的冷却剂离子。

在一个示例实施例中，原子对象的第二组分是第二原子对象类型的两个或更多个离子中的至少一个，第二原子对象类型不同于第一原子对象类型，并且其中，第二原子对象类型的两个或更多个离子中的至少一个被配置为用作包括原子对象限制装置的量子计算机的量子位。

在一个示例实施例中，第一失谐量和第二失谐量大致相等。在一个示例实施例中，第一操纵信号是π极化激光束并且第二操纵信号是σ极化激光束。

在一个示例实施例中，第一操纵信号的极化和第二操纵信号的极化对应于与暗状态相关联的双光子跃迁。

在一个示例实施例中，计算机可执行指令还被配置为，当被至少一个处理器执行时，使得所述装置至少引起在原子对象限制装置的特定区域生成具有磁场方向的磁场，其中，原子对象或原子对象限制装置的特定区域中的一个限定原子对象轴，磁场方向横向于原子对象轴。

在一个示例实施例中，磁场方向和原子对象轴形成三十度到六十度的角度。

在一个示例实施例中，第一操纵信号限定横向于原子对象轴的第一传播方向，并且第二操纵信号限定横向于原子对象轴的第二传播方向。

在一个示例实施例中，第一传播方向和第二传播方向大致相互反平行，并且磁场方向横向于第一传播方向和第二传播方向两者。

在一个示例实施例中，第一传播方向和第二传播方向两者都大致垂直于磁场方向。

在一个示例实施例中，(a)第一操纵信号的极化大致横向于由原子对象限制装置限定的平面，(b)第二操纵信号的极化大致上横向于由原子对象限制装置限定限定的平面，并且(c)第一传播方向、第二传播方向和磁场方向分别大致平行于原子限制装置所限定的平面。

根据另一方面，提供了一种系统。在一个示例实施例中，系统包括：原子对象限制装置，其被配置为将原子对象限制在原子对象限制装置的特定区域中；第一操纵源，其可由系统的控制器控制，并被配置为向原子对象限制装置的特定区域提供第一操纵信号；第二操纵源，其可由系统的控制器控制，并向原子对象限制装置的特定区域提供第二操纵信号；和，控制器。控制器包括至少一个处理器和存储计算机可执行指令的存储器，所述计算机可执行指令被配置为，当被所述至少一个处理器执行时，使得所述控制器至少控制第一操纵源以向原子对象限制装置的特定区域提供第一操纵信号；和，控制第二操纵源以向原子对象限制装置的特定区域提供第二操纵信号。第一操纵信号和第二操纵信号被配置为共同冷却原子对象。第一操纵信号由第一波长表征，该第一波长对应于原子对象的第一组分的S流形与P流形之间的跃迁，并且从S流形与P流形之间的跃迁失谐第一失谐量。第二操纵信号由第二波长表征，该第二波长对应于原子对象的第一组分的P流形与D流形之间的跃迁，并且从P流形与D流形之间的跃迁失谐第二失谐量。选择第一和第二失谐量以建立与S流形和D流形之间的双光子跃迁相关的暗状态。

在一个示例实施例中，该系统是基于量子电荷耦合器件(QCCD)的量子计算机。

在一个示例实施例中，该装置是包括原子对象限制装置的量子计算机的控制器。

在一个示例实施例中，原子对象是包括两个或更多个离子的离子晶体，并且原子对象的第一组分是第一原子对象类型的两个或更多个离子中的至少一个。

在一个示例实施例中，原子对象的第一组分被配置为用作晶体的协同冷却方案中的冷却剂离子。

在一个示例实施例中，原子对象的第二组分是第二原子对象类型的两个或更多个离子中的至少一个，第二原子对象类型不同于第一原子对象类型，并且其中，第二原子对象类型的两个或更多个离子中的至少一个被配置为用作包括原子对象限制装置的量子计算机的量子位。

在一个示例实施例中，第一失谐量和第二失谐量大致相等。

在一个示例实施例中，第一操纵信号是π极化激光束并且第二操纵信号是σ极化激光束。

在一个示例实施例中，第一操纵信号的极化和第二操纵信号的极化对应于与暗状态相关联的双光子跃迁。

在一个示例实施例中，计算机可执行指令还被配置为，当被至少一个处理器执行时，使得所述装置至少引起在原子对象限制装置的特定区域生成具有磁场方向的磁场，其中，原子对象或原子对象限制装置的特定区域中的一个限定原子对象轴，磁场方向横向于原子对象轴。

在一个示例实施例中，磁场方向和原子对象轴形成三十度到六十度的角度。

在一个示例实施例中，第一操纵信号限定横向于原子对象轴的第一传播方向，并且第二操纵信号限定横向于原子对象轴的第二传播方向。

在一个示例实施例中，第一传播方向和第二传播方向大致相互反平行，并且磁场方向横向于第一传播方向和第二传播方向两者。

在一个示例实施例中，第一传播方向和第二传播方向两者都大致垂直于磁场方向。

在一个示例实施例中，(a)第一操纵信号的极化大致横向于由原子对象限制装置限定的平面，(b)第二操纵信号的极化大致上横向于由原子对象限制装置限定限定的平面，并且(c)第一传播方向、第二传播方向和磁场方向分别大致平行于原子限制装置所限定的平面。

根据另一方面，提供了一种用于冷却由原子对象限制装置限制的原子对象的方法。在一个示例实施例中，该方法包括通过与原子对象限制装置相关联的控制器，控制第一操纵源以向原子对象限制装置的特定区域提供第一操纵信号。该方法还包括通过控制器，控制第二操纵源以向原子对象限制装置的特定区域提供第二操纵信号。待冷却的原子对象位于原子对象限制装置的特定区域内。第一操纵信号由第一波长表征，该第一波长对应于原子对象的第一组分的S流形的第一时钟状态与P流形之间的第一跃迁，并且，从第一跃迁失谐第一失谐量。第二操纵信号由第二波长表征，该第二波长对应于原子对象的第一组分的S流形的第二时钟状态与P流形之间的第二跃迁，并且从第二跃迁失谐第二失谐量。选择第一失谐量和第二失谐量以建立与第一时钟状态与第二时钟状态之间的双光子跃迁相关的暗状态。

在一个示例实施例中，原子对象是包括两个或更多个离子的离子晶体，并且原子对象的第一组分是第一原子对象类型的两个或更多个离子中的至少一个。

在一个示例实施例中，原子对象的第一组分被配置为用作晶体的协同冷却方案中的冷却剂离子。

在一个示例实施例中，原子对象的第二组分是第二原子对象类型的两个或更多个离子中的至少一个，第二原子对象类型不同于第一原子对象类型，并且其中，第二原子对象类型的两个或更多个离子中的至少一个被配置为用作包括原子对象限制装置的量子计算机的量子位。

在一个示例实施例中，第一原子对象类型是单独电离的镱。

在一个示例实施例中，第一失谐量和第二失谐量大致相等。

在一个示例实施例中，所述方法还包括引起或控制在原子对象限制装置的特定区域生成具有磁场方向的磁场，并且，磁场方向横向于第一操纵信号的传播方向。

在一个示例实施例中，第一操纵信号由第一极化表征，该第一极化是大致平行于由原子对象限制装置限定的平面的线极化，并且第二操纵信号由第二极化表征，该第二极化是大致垂直于由原子对象限定的平面的线极化。

在一个示例实施例中，该方法还包括使得在原子对象限制装置的特定区域中生成具有磁场方向的磁场，其中，磁场方向横向于第一极化。

在一个示例实施例中，第一操纵信号由第一极化表征，并且第二操纵信号由第二极化表征，第一极化横向于第二极化。

在一个示例实施例中，第一时钟状态是F＝1、m＝0状态，第二时钟状态是F＝0、m＝0状态。

根据另一方面，提供一种被配置为使得/或控制冷却由原子对象限制装置限制的原子对象的装置。在一个示例实施例中，该装置包括至少一个处理器和存储计算机可执行指令的存储器。所述计算机可执行指令被配置为，当被所述至少一个处理器执行时，使得所述装置至少控制第一操纵源以向原子对象限制装置的特定区域提供第一操纵信号；和，控制第二操纵源以向原子对象限制装置的特定区域提供第二操纵信号。待冷却的原子对象位于原子对象限制装置的特定区域内。第一操纵信号和第二操纵信号被配置为共同冷却原子对象。第一操纵信号由第一波长表征，该第一波长对应于原子对象的第一组分的S流形的第一时钟状态与P流形之间的第一跃迁，并且从第一跃迁失谐第一失谐量。第二操纵信号由第二波长表征，该第二波长对应于原子对象的第一组分的S流形的第二时钟状态与P流形之间的第二跃迁，并且从第二跃迁失谐第二失谐量。选择第一失谐量和第二失谐量以建立与第一时钟状态与第二时钟状态之间的双光子跃迁相关的暗状态。

在一个示例实施例中，原子对象是包括两个或更多个离子的离子晶体，并且原子对象的第一组分是第一原子对象类型的两个或更多个离子中的至少一个。

在一个示例实施例中，原子对象的第一组分被配置为用作晶体的协同冷却方案中的冷却剂离子。

在一个示例实施例中，原子对象的第二组分是第二原子对象类型的两个或更多个离子中的至少一个，第二原子对象类型不同于第一原子对象类型，并且其中，第二原子对象类型的两个或更多个离子中的至少一个被配置为用作包括原子对象限制装置的量子计算机的量子位。

在一个示例实施例中，第一原子对象类型是单独电离的镱。

在一个示例实施例中，第一失谐量和第二失谐量大致相等。

在一个示例实施例中，在原子对象限制装置的特定区域中存在具有磁场方向的磁场，并且，磁场方向横向于第一操纵信号的传播方向。

在一个示例实施例中，第一操纵信号由第一极化表征，该第一极化是大致平行于由原子对象限制装置限定的平面的线极化，并且第二操纵信号由第二极化表征，该第二极化是大致垂直于由原子对象限定的平面的线极化。

在一个示例实施例中，在原子对象限制装置的特定区域中存在具有磁场方向的磁场，并且，磁场方向横向于第一极化。

在一个示例实施例中，第一操纵信号由第一极化表征，并且第二操纵信号由第二极化表征，第一极化横向于第二极化。

在一个示例实施例中，第一时钟状态是F＝1、m＝0状态，第二时钟状态是F＝0、m＝0状态。

在一个示例实施例中，所述装置是基于量子电荷耦合器件(QCCD)的量子计算机的控制器。

根据又一另外的方面，提供了一种系统。在一个示例实施例中，系统包括：原子对象限制装置，其被配置为将原子对象限制在原子对象限制装置的特定区域中；第一操纵源，其可由系统的控制器控制，并被配置为向原子对象限制装置的特定区域提供第一操纵信号；第二操纵源，其可由系统的控制器控制，并被配置为向原子对象限制装置的特定区域提供第二操纵信号；和，控制器，其包括至少一个处理器和存储计算机可执行指令的存储器。所述计算机可执行指令被配置为，当被所述至少一个处理器执行时，使得所述控制器至少控制第一操纵源以向原子对象限制装置的特定区域提供第一操纵信号；和，控制第二操纵源以向原子对象限制装置的特定区域提供第二操纵信号。第一操纵信号和第二操纵信号被配置为共同冷却原子对象。第一操纵信号由第一波长表征，该第一波长对应于原子对象的第一组分的S流形的第一时钟状态与P流形之间的第一跃迁，并且从第一跃迁失谐第一失谐量。第二操纵信号由第二波长表征，该第二波长对应于原子对象的第一组分的S流形的第二时钟状态与P流形之间的第二跃迁，并且从第二跃迁失谐第二失谐量。选择第一失谐量和第二失谐量以建立与第一时钟状态与第二时钟状态之间的双光子跃迁相关的暗状态。

在一个示例实施例中，原子对象是包括两个或更多个离子的离子晶体，并且原子对象的第一组分是第一原子对象类型的两个或更多个离子中的至少一个。

在一个示例实施例中，原子对象的第一组分被配置为用作晶体的协同冷却方案中的冷却剂离子。

在一个示例实施例中，原子对象的第二组分是第二原子对象类型的两个或更多个离子中的至少一个，第二原子对象类型不同于第一原子对象类型，并且其中，第二原子对象类型的两个或更多个离子中的至少一个被配置为用作包括原子对象限制装置的量子计算机的量子位。

在一个示例实施例中，第一原子对象类型是单独电离的镱。

在一个示例实施例中，第一失谐量和第二失谐量大致相等。

在一个示例实施例中，在原子对象限制装置的特定区域存在具有磁场方向的磁场，并且，磁场方向横向于第一操纵信号的传播方向。

在一个示例实施例中，第一操纵信号由第一极化表征，该第一极化是大致平行于由原子对象限制装置限定的平面的线极化，并且第二操纵信号由第二极化表征，该第二极化是大致垂直于由原子对象定义的平面的线极化。

在一个示例实施例中，在原子对象限制装置的特定区域中存在具有磁场方向的磁场，并且，磁场方向横向于第一极化。

在一个示例实施例中，第一操纵信号由第一极化表征，并且第二操纵信号由第二极化表征，第一极化横向于第二极化。

在一个示例实施例中，第一时钟状态是F＝1、m＝0状态，第二时钟状态是F＝0、m＝0状态。

在一个示例实施例中，所述系统是基于量子电荷耦合器件(QCCD)的量子计算机。

附图说明

已经如此概括地描述了本发明，现在将参考附图，这些附图不一定按比例绘制，并且其中：

图1提供了一个根据示例实施例的示例原子对象量子计算机的框图。

图2A提供了一个根据示例实施例示出冷却操作的性能的原子对象的第一组件的能级图。

图2B提供了根据另一示例实施例示出冷却操作的性能的原子对象的第一组件的能级图。

图3A提供了示出根据一个示例实施例的，对应于图2A中所示的能级图的冷却操作的执行的示意图。

图3B提供了示出根据一个示例实施例的，对应于图2B中所示的能级图的另一冷却操作的执行的示意图。

图4提供了根据另一示例实施例示出冷却操作的性能的原子对象的第一组件的能级图。

图5提供了示出根据一个示例实施例的，对应于图4中所示的能级图的冷却操作的执行的示意图。

图6提供了示出根据一个示例实施例的冷却操作的各种过程和/或程序的流程图。

图7提供了根据一个示例实施例的包括被配置为将原子对象限制在其中的原子对象限制装置的量子计算机的示例控制器的示意图。

图8提供了可以根据一个示例实施例使用的量子计算机系统的示例计算实体的示意图。

具体实施方式

现在将在下文中参考附图更全面地描述本发明，在附图中示出了本发明的一些但不是所有实施例。实际上，本发明可以以许多不同的形式体现，并且不应被解释为限于本文所阐述的实施例；而是，提供这些实施例是为了使本公开满足适用的法律要求。除非另有说明，否则术语“或”(也表示为“/”)在本文中以替代和结合的含义使用。术语“说明性”和“示例性”仅用作示例，不表示质量水平。除非另有说明，否则术语“一般”和“大约”是指在适用的工程和/或制造公差范围内和/或在用户测量能力范围内。相同的数字始终指代相同的元素。

在各种场景中，原子对象被限制在原子对象限制装置内。在各个实施例中，原子对象限制装置是离子阱，例如表面离子阱、保罗离子阱和/或类似物。在各个实施例中，原子对象是离子、原子、离子晶体、原子晶体等。在一个示例实施例中，原子对象包括两个或更多个离子，其中原子对象的第一组分是第一原子类型的一个或更多个离子(例如，第一化学元素、第一原子序数的离子等)。在一个示例实施例中，原子对象包括两个或更多个离子，其中原子对象的第二组分是第二原子类型的一个或更多个离子(例如，第二化学元素、第二原子序数的离子等)。在一个示例实施例中，原子对象的第一组分(第一原子类型的离子)是用在原子对象的协同(sympathetic)冷却方案中的一个或更多个冷却离子。在一个示例实施例中，原子对象的第二组分(例如，第二原子对象类型的离子)是用作量子计算机的量子位的一个或更多个量子位离子。

在各个实施例中，限制在原子对象限制装置内的原子对象用于执行实验、受控量子态演化、量子计算等。在各个实施例中，为了使限制在原子对象限制装置内的原子对象用于执行实验、受控量子态演化、量子计算等，原子对象需要处于低温和/或在原子对象和/或其构件的运动基态附近冷却。在各个实施例中，激光冷却用于降低原子对象和/或其构件的运动能量。例如，在示例性实施例中，原子对象的第一组分是用于对量子位离子进行协同冷却的冷却离子，而原子对象的第二组分是用作量子计算机的量子位的量子位离子。

常规类型的激光冷却包括多普勒冷却和分辨边带冷却。多普勒冷却包括通过与原子对象长期频率相比更宽的光学跃迁来冷却原子对象。原子对象的长期频率是原子对象响应于原子对象限制装置的限制电位和/或赝势而振荡的频率，例如通过向射频电极和/或保罗表面离子阱的轨道施加射频电压信号而产生的频率。多普勒冷却相对容易执行，但通常不能用于将原子对象和/或其组件冷却到足够低的温度。分辨边带冷却是指通过与原子对象的长期频率相比窄的光学跃迁来冷却原子对象。然而，分辨边带冷却在技术上要求很高，并且需要相对高功率的激光束来进行充分的冷却。

EIT冷却是激光冷却的另一种形式。EIT冷却包括向原子对象施加两个激光场和一个磁场。激光场与原子对象的第一组分的相应跃迁失谐。与蓝色失谐运动边带相比，当红色失谐运动边带上发生更强的光子吸收时，就会发生冷却。

本文描述了两个示例EIT冷却操作。第一种是S至P至D的EIT冷却操作，例如，可用于原子对象，其中第一个组分是单独电离的钡(138Ba)原子或具有类似能量结构的另一原子对象成分(例如，类似的精细结构和/或超精细结构，例如单电离88Sr)。例如，S至P至D的EIT冷却操作可用于原子对象，其中第一组件具有低位D流形(manifold)。如本文所用，低位D流形是轨道角动量量子数l＝2的状态流形，其能量分别低于角动量量子数l＝1的状态P流形。

本文所述的第二示例EIT冷却操作是时钟状态EIT冷却操作。例如，时钟状态EIT冷却操作被配置为与原子对象一起使用，其中第一组分是单独电离的镱(例如，171Yb)原子或具有类似能量结构(例如，类似精细结构和/或超精细结构)的另一个原子对象组分。例如，时钟状态EIT冷却操作可以用原子对象执行，其中第一组分具有电子自旋1/2和核自旋1/2。例如，原子对象的第一个组分的能量结构包括一个低能流形，它包括两个状态，形成一对“时钟”状态，其定义特征是两个状态之间的能量差对磁场波动不敏感。例如，单电离171Yb中的S_1/2，F＝0、M＝0和S_1/2，F＝1、M＝0状态是这种时钟状态对的示例。该时钟状态对允许转换到常见的高能流形，例如171Yb中的P流形，其线宽足够大以允许方便地进行激光耦合。在关于图4描述的示例中，时钟状态通过σ+/-转换耦合到P流形。具有相似能量结构的原子对象的另一示例性第一组分是单电离133Ba。

示例性量子计算机系统

由原子对象限制装置限制的原子对象的激光冷却可以在多种环境中执行和/或执行用于多种应用。一个示例背景是基于量子电荷耦合器件(QCCD)的量子计算。图1提供了示例量子计算机系统100的框图。在各个实施例中，量子计算机系统100包括计算实体10和量子计算机110。

在各个实施例中，量子计算机110包括控制器30、封闭原子对象限制装置50的低温和/或真空室40，原子对象限制在该装置50中、和一个或更多个操纵源64(例如，64A、64B、64C)。在一个示例实施例中，一个或更多个操纵源64可包括一个或更多个激光器(例如，光学激光器、微波源和/或微波激射器等)或另一操纵源。在各个实施例中，一个或更多个操纵源64被配置为操纵和/或引起装置50内的一个或更多个原子对象的受控量子态演化。例如，第一操纵源64A被配置为生成和/或提供第一操纵信号并且第二操纵源64B被配置为生成和/或提供第二操纵信号，其中第一和第二操纵信号被配置为共同激光冷却由原子对象限制装置限制的原子对象。

在各个实施例中，原子对象限制装置50是离子阱，例如表面离子阱、保罗离子阱等。在各个实施例中，原子对象是离子、原子、离子晶体、原子晶体等。在一个示例实施例中，原子对象包括两个或更多个离子，其中原子对象的第一组分是第一原子类型的一个或更多个离子(例如，第一化学元素、第一原子序数的离子等)。在一个示例实施例中，原子对象包括两个或更多个离子，其中原子对象的第二组分是第二原子类型的一个或更多个离子(例如，第二化学元素、第二原子序数的离子等)。在一个示例实施例中，原子对象的第一组分(第一原子类型的离子)是用于在原子对象的协同冷却方案中使用的一个或更多个冷却离子。在一个示例实施例中，原子对象的第二组分(例如，第二原子对象类型的离子)是一个或更多个用作量子计算机的量子位的量子位离子。例如，在一个示例实施例中，原子对象是离子晶体，其包含用作冷却离子的单电离Ba原子和用作量子位离子的单电离Yb离子。在另一示例实施例中，原子对象是离子晶体，其包含用作冷却离子的单电离Yb原子和用作量子位离子的单电离Ba离子。

在一个示例实施例中，一个或更多个操纵源64各自通过相应的光束路径66(例如，66A、66B、66C)向原子对象限制装置50的一个或更多个区域提供操纵信号(例如，激光束等)。在各个实施例中，至少一个光束路径66包括调制器，该调制器被配置为调制经由光束路径66提供给装置50的操纵信号。在各个实施例中，操纵源64、调制器和/或量子计算机110的其他构件由控制器30控制。

在各个实施例中，量子计算机110包括一个或更多个磁场发生器70(例如，70A、70B)。例如，磁场发生器可以是设置在低温和/或真空室40内的内部磁场发生器70A和/或设置在低温和/或真空室40外部的外部磁场发生器70B。在各个实施例中，磁场发生器70是永磁体、亥姆霍兹线圈、电磁体等。在各个实施例中，磁场发生器70被配置为在原子对象限制装置50的一个或更多个区域产生磁场，该磁场在原子对象限制装置50的一个或更多个区域中具有特定幅度和特定磁场方向。

在各个实施例中，控制器30被配置为控制电压源、电信号源和/或控制原子对象限制装置50和/或原子对象限制装置50(低温系统)内的原子对象的运输的驱动器、和/或控制低温和/或真空室40内的温度和压力的低温系统和/或真空系统、操纵源64、磁场发生器70、和/或控制在低温和/或真空室40内的环境条件(例如，温度、湿度、压力和/或等)和/或被配置为操纵和/或导致原子对象限制装置50内的一个或更多个原子对象的量子态的受控演化的其他系统。

在各个实施例中，计算实体10被配置为允许用户向量子计算机110提供输入(例如，通过计算实体10的用户界面)并接收、查看来自量子计算机110的输出等。计算实体10可以通过一个或更多个有线或无线网络20和/或通过直接有线和/或无线通信与量子计算机110的控制器30通信。在一个示例实施例中，计算实体10可以将信息/数据、量子计算算法、量子电路等进行翻译、配置、格式化为计算语言、可执行指令、命令集和/或控制器30可以理解和/或实施的类似内容。

示例S至P至D的EIT冷却操作

各个实施例提供了量子计算机、系统、装置等以及用于基于在原子对象的第一组分的S流形的一种或更多种状态经过原子对象的第一个组分的P流形到原子对象的第一组分的D流形的一种或更多种状态之间的双光子共振跃迁执行EIT冷却的相应方法。

通常，具有Ba+类能量结构(例如，与单电离的Ba原子相似的精细和/或超精细能量结构)的离子的EIT冷却包括对于以下两个耦合使用单个激光器，将基态流形(例如，对应于角动量量子数l＝0的S流形)中第一状态(塞曼，Zeeman)耦合到受激流形中的激发态，以及将受激流形中的激发态耦合到基态流形(例如S流形)中的第二状态(塞曼，Zeeman)。换言之，传统的EIT冷却使用双光子跃迁将同一流形内的两个状态耦合在一起。

然而，对于具有低位D流形的原子对象或原子对象的第一组分，原子对象或原子对象的第一组分可能会“卡”在D流形中。如本文所用，低位D流形是轨道角动量量子数l＝2的状态流形，其能量分别低于轨道角动量量子数l＝1的状态P流形。因此，传统的EIT冷却需要额外的元件和步骤，以有效冷却包含具有低位D流形的第一组分的原子对象。因此，存在关于如何高效、有效和稳健地将原子对象冷却到接近其运动基态的技术问题。

各个实施例提供了对这些技术问题的技术解决方案。在各个实施例中，使用将S流形的一种或更多种状态耦合到P流形的一种或更多种状态的第一操纵信号和将P流形的一种或更多种状态耦合到D流形的一种或更多种状态的第二操纵信号来执行EIT冷却操作。在各个实施例中，第一操纵信号和第二操纵信号两者都在P流形的一种或更多种状态之上失谐以建立与S流形和D流形之间的双光子跃迁相关联的暗状态。通过将S流形耦合到P流形以及将P流形耦合到D流形，可以以激光功率要求低于分辨边带冷却并且比传统的EIT冷却技术更简单的方式实现到原子对象的接近运动基态(例如，到显著低于多普勒冷却极限的温度)的有效冷却。此外，在各个实施例中，用于产生和/或提供第一和第二操纵信号的第一和第二操纵源也可以用于执行多普勒冷却。因此，各个实施例能够使用多普勒冷却和EIT冷却两者而不需要额外的激光器或其他操纵源。因此，各个实施例提供了对包括具有低D流形的第一组分的原子对象的常规激光冷却的技术改进。

此外，各个实施例的失谐量小于常规EIT冷却操作的常规失谐量，这使得能够进行原子对象的多种模式的同时冷却。例如，在各个实施例中，通过调整第一和第二失谐量(在各个实施例中，同时保持第一和第二失谐量基本上彼此相等)以及第一和第二操纵信号的强度，可以针对原子对象确定能够同时冷却具有不同频率(例如，在～1MHz和～3MHz之间变化)的原子对象的大范围晶体模式的最优参数集。例如，各个实施例提供了能够同时对具有不同模式频率(例如，频率范围超过1-3MHz)的原子对象的多个模式进行宽带冷却的额外优势。

图2A提供了根据各个实施例示出了示例EIT冷却操作的原子对象(例如，冷却离子)的示例第一组分的部分能级图。部分能级图示出了S流形210。在各个实施例中，EIT冷却操作利用S流形210的一种或更多种状态(例如，S流形的一个或两个状态)。部分能级图还示出了P流形220。在各个实施例中，EIT冷却操作利用P流形220的一种或更多种状态(例如，P流形的一种或两种状态)。部分能级图进一步示出了低位D流形230。在各个实施例中，EIT冷却操作利用D流形230的一种或更多种状态(例如，D流形的一种、两种、三种或四种状态)。

图2B提供了根据各个实施例示出另一个示例EIT冷却操作的原子对象(例如，冷却离子)的示例第一组分的部分能级图。图2B所示的部分能级图包括与图2A所示相同的S流形210、P流形220和低位D流形230，这是因为例如该图对应于相同冷却离子的能级。然而，用于将S流形210耦合到P流形220的第一操纵信号215'的极化在图2B中是σ极化的，而不是如图2A中所示的π极化。

各个实施例的EIT冷却操作的执行包括将第一操纵信号215、215'和第二操纵信号225、225'应用到原子对象。在示例实施例中，第一操纵信号215由第一波长表征λ₁并且是π极化的，如图2A所示。在另一个示例实施例中，如图2B所示，第一操纵信号215'由第一波长表征λ₁并且是σ极化的。第一波长λ₁对应于S流形210和P流形220之间的跃迁。在各个实施例中，第一波长λ₁对应于S流形210和P流形220之间的跃迁的共振频率，并且从其失谐第一失谐量Δ_SP。

在示例实施例中，第二操纵信号225、225'由第二波长表征λ₂并且是σ极化的。例如，第二操纵信号225在垂直于磁场的方向上线极化(σ+/-极化)。第二波长λ₂对应于P流形220和D流形230之间的跃迁。在各个实施例中，第二波长λ₂对应于P流形220和D流形230之间的跃迁的共振频率，并且从其失谐第二失谐量Δ_PD。

在各个实施例中，当针对特定的三个能级组(S流形、D流形和P流形中各一个)测量时，第一和第二失谐量基本上彼此相等(例如，Δ_SP≈Δ_PD)。在示例实施例中，原子对象的第一组分是单电离的Ba，第一波长λ₁≈493nm，第二波长λ₂≈650nm，第一和第二失谐量Δ_SP≈20MHz≈Δ_PD。在各个实施例中，第一操纵信号215、215'的频率和第二操纵信号225、225'的频率在容差Δω/(2π)≤100kHz内相对于彼此稳定。应当理解，基于原子对象的第一组分的能量结构和选择的暗状态，在各种其他实施例中使用各种其他极化方案、波长和失谐量。

如本文所用，术语暗状态是指由适当的双光子跃迁形成的两个状态的相干叠加。对于图2A和2B中所示的实施例，相应的暗状态由S流形中的状态和D流形中的状态的叠加形成，它们通过第一操纵信号215、215'和第二操纵信号225、225'耦合。

应当理解，如本文所用，第一流形和第二流形(例如，S流形和P流形、P流形和D流形)之间的跃迁指示第一流形的状态和第二流形的状态之间的跃迁。如本文所用，状态流形是指具有相同总角动量的状态组，其中每个流形包括由于施加的磁场通过塞曼分裂而在能量上不同的多个状态。一种状态的总角动量对应于该状态的自旋角动量和轨道角动量之和(包括当核角动量非零时通过超精细耦合的核角动量)。

在各个实施例中，S至P至D的EIT冷却操作涉及S_1/2流形210的塞曼状态、P_1/2流形220的塞曼状态和D_3/2流形的塞曼状态230。在一个示例实施例中，S至P至D的EIT冷却操作涉及倾向于用于多普勒冷却的状态和/或流形。因此，对于被配置为执行多普勒冷却的系统，相同的操纵源可以容易地重新用于S至P至D的EIT冷却操作的示例实施例中。在第二操纵信号225、225'的有限磁场和固定频率(例如，固定波长λ₂)下，扫描第一操纵信号215、215'的频率揭示与从S_1/2流形210到D_3/2流形230的双光子共振跃迁相关的四个暗状态共振。暗状态是不能吸收或发射光子的原子对象和/或原子对象的组分的状态。当第一操纵信号215、215'的第一波长λ₁和第二操纵信号225、225'的第二波长λ₂被调谐到这些双光子共振中的一个时，通过在从原子对象和/或原子对象的第一组分(例如冷却离子)中去除运动能量的红边带跃迁上引起优先散射，当双光子共振的蓝色侧(例如，较短波长、较高频率侧)的散射率小于双光子共振的红色侧(例如，较长波长、较低频率侧)的散射率时，获得EIT冷却。

在图2A中，通过由实线所示的第一操纵信号215和实线所示的第二操纵信号225的耦合示出了由S_1/2流形210的m_j＝1/2状态和D_3/2流形230的m_j＝3/2状态组成的示例双光子共振，可用于示例实施例的S至P至D的EIT冷却操作。

双光子共振的频率宽度取决于与P_l/2流形的状态的单光子失谐量(例如，Δ_SP、Δ_PD)。例如，当第一和/或第二失谐量减小时，双光子共振的宽度变宽，而当第一和/或第二失谐量增加时，双光子共振的宽度变窄。双光子共振的更窄频率宽度提供到较低温度的更快冷却(与双光子共振的宽频率宽度相比)，而双光子共振的更宽频率宽度提供更宽的冷却带宽(与双光子共振的窄频率宽度相比)。

在各个实施例中，第一失谐量Δ_SP和第二失谐量Δ_PD被设置为在10-450MHz范围内的失谐量。例如，在一个示例实施例中，ΔSP＝Δ_PD≈20MHz，这提供了足够大的冷却带宽以有效地冷却原子对象(例如，离子晶体，例如包含四个离子的离子晶体)的许多运动模式，同时仍然保持足以用于各种应用的冷却速度和最终温度，包括冷却限制在量子计算机的原子对象限制装置内的原子对象，其中原子对象包括用作量子计算机的量子位的量子位离子。

在各个实施例中，第一和第二失谐量Δ_SP＝Δ_PD小于在传统EIT冷却操作中使用的传统失谐量。各个实施例的较小的第一和第二失谐量(与传统EIT冷却操作的传统失谐量相比)能够能够同时冷却原子对象的多个模式。例如，在各个实施例中，通过调整第一和第二失谐量(同时在各个实施例中保持Δ_SP＝Δ_PD)以及第一和第二操纵信号的强度，可以为原子对象确定最优参数集，所述最优参数集能够同时冷却具有不同频率(例如，在～1MHz和～3MHz之间变化)的原子对象的大范围晶体模式。例如，各个实施例能够同时冷却具有不同模式频率(例如，频率范围超过1-3MHz)的原子对象的多个模式。

在各个实施例中，当分别表征第一和第二操纵信号的第一和第二波长λ₁、λ₂相对于彼此相对稳定时，改进了S至P至D的EIT冷却操作的各个实施例的效率。在一个示例实施例中，使第一操纵源和第二操纵源被配置为使得第一波长λ₁和第二波长λ₂独立地稳定，使得它们的频率差被稳定到≤100kHz的容差。例如，在一个示例实施例中，通过独立地稳定第一和第二操纵源64A、64B来执行第一和第二波长的相对稳定。在各个实施例中，通过使用共振腔、将第一和第二操纵信号耦合到频率梳(其示例在2021年3月16日颁发的美国专利第10,951,002号中进行了描述(其内容通过引用整体并入本文))；使用伺服和/或反馈回路等来实现第一和/或第二操纵源64A、64B的稳定化和/或第一和/或第二波长的稳定化。

图3A示出了用于执行图2A中示出的示例实施例的S至P至D的EIT冷却操作的一个示例几何构造。图3A示出了位于和/或布置在原子对象限制装置50的特定区域55中的原子对象308。原子对象308包括两个第一组分310和两个第二组分312。第一组分310是第一原子类型并且第二元组分312是第二原子类型，第一原子类型与第二原子类型不同。例如，在一个示例实施例中，第一组分310是单电离的Ba原子，第二组分312是单电离的Yb原子。第一和第二组分310、312沿着原子对象轴305定位和/或布置以限定原子对象轴305。在一个示例实施例中，原子对象轴305大致平行于原子对象限制装置50的特定区域55的射频零点350。射频零点350是通过将射频电压信号施加到原子对象限制装置50的射频电极和/或轨道而产生的赝势的零点线。

在各个实施例中，生成磁场B使得在特定区域55中，磁场B具有有限且大致稳定的(例如，不随时间变化)幅度(例如，2-10高斯和/或在一个示例实施例中的5高斯)。在各个实施例中，特定区域55中的磁场B具有与原子对象轴305形成角度α的磁场方向。在一个示例实施例中，角度α为30至60度。在一个示例实施例中，角度α约为45度。

在各个实施例中，第一操纵信号215具有极化218(例如，π极化)。在示例实施例中，第一操纵信号215的极化218基本上平行于磁场方向。在各个实施例中，第一传播方向横向于原子对象轴305。在一个示例实施例中，第一操纵信号215在与原子对象轴305形成角度β的第一传播方向上传播。在各个实施例中，角度β被配置为使得第一操纵信号215的传播与磁场方向不平行或反平行。在各个实施例中，角度β为30至60度。在一个示例实施例中，角度β大约为45度。

在各个实施例中，第二操纵信号225具有极化228(例如，σ^+/-极化)。在一个示例实施例中，第二操纵信号225的极化228横向于磁场方向。在各个实施例中，第二传播方向横向于原子对象轴305。在一个示例实施例中，第二操纵信号225在与原子对象轴305形成角度γ的第二传播方向上传播。在各个实施例中，角度γ为0到90度。在一个示例实施例中，角度γ大约为45度。

在各个实施例中，第一传播方向与第二传播方向大致反平行。在各个实施例中，第一传播方向和第二传播都横向于磁场方向。在一个示例实施例中，第一传播方向和第二传播方向基本上垂直于磁场方向。

图3B示出了用于执行例如图2B中所示的示例实施例的S至P至D的EIT冷却操作的另一个示例几何构造。图3B示出了位于和/或布置在原子对象限制装置50的特定区域55中的原子对象308。原子对象308包括两个第一组分310和两个第二组分312。第一组分310是第一原子类型并且第二组分312是第二原子类型，第一原子类型与第二原子类型不同。例如，在一个示例实施例中，第一组分310是单电离的Ba原子，第二组分312是单电离的Yb原子。第一和第二组分310、312沿着原子对象轴305定位和/或布置以限定原子对象轴305。在一个示例实施例中，原子对象轴305大致平行于原子对象限制装置50的特定区域55的射频零点350。

在各个实施例中，产生磁场B使得在特定区域55中，磁场B具有有限且大致稳定(例如，不随时间变化)的幅度(例如，2-10高斯和/或在一个示例实施例中的5高斯)。在各个实施例中，特定区域55中的磁场B具有与原子对象轴305形成角度α'的磁场方向。在一个示例实施例中，角度α'为0到360度。在一个示例实施例中，角度α'约为45度。特别地，磁场方向基本上不平行于或反平行于第二操纵信号225'的极化228'。在各个实施例中，磁场B大致平行于由原子对象限制装置限定的平面。

在各个实施例中，第一操纵信号215'具有第一极化218'(例如，σ^+/-极化)。在一个示例实施例中，第一操纵信号215'的第一极化218'大致不平行于和/或横向于磁场方向。在一个示例实施例中，第一极化218'垂直于磁场方向。在各个实施例中，第一传播方向横向于原子对象轴305。在一个示例实施例中，第一操纵信号215'在与原子对象轴305形成角度β'的第一传播方向上传播。在各个实施例中，角度β'为0到90度。在一个示例实施例中，角度β'约为45度。在一个示例实施例中，角度β'约为90度。

在各个实施例中，第二操纵信号225'具有第二极化228'(例如，σ^+/-极化)。在一个示例实施例中，第二操纵信号225'的第二极化228'横向于磁场方向。在一个示例实施例中，第二极化228'垂直于磁场方向。在各个实施例中，第二传播方向横向于原子对象轴305。在一个示例实施例中，第二操纵信号225'在与原子对象轴305形成角度γ的第二传播方向上传播。在各个实施例中，角度γ为30至60度。在一个示例实施例中，角度γ大约为45度。

在各个实施例中，第一传播方向与第二传播方向大致反平行。在所示实施例中，第一传播方向和第二传播方向彼此大致反平行(例如，β'≈γ')。

在各个实施例中，第一传播方向

(在相应的第一操纵信号215、215'的波向量方向上的单位向量)和第二传播方向

(在相应的第二操纵信号225、225'的波向量方向上的单位向量)之间的差异在要冷却的运动方向上具有非零投影。例如，当待冷却的原子对象308的模式是轴向模式(例如，对应于沿原子对象轴305的运动)时，

其中

是沿原子对象轴305的单位向量，并且

在另一示例中，当待冷却的原子对象308的模式是径向模式(例如，对应于与原子对象轴305正交的运动)时，

其中

是径向单位向量(例如，

)并且

图3A和3B示出了用于执行示例实施例的S至P至D的EIT冷却操作的两个示例几何构造。应当理解，在各种其他实施例中可以使用其他几何构造。例如，在一个示例实施例中，磁场方向可以平行或反平行于原子对象轴305。在一个示例实施例中，第一传播方向和第二传播方向各自平行于原子对象轴305。在各个实施例中，磁场方向横向于第一和第二传播方向两者。在各个实施例中，磁场方向、第一传播方向和/或第二传播可以横向于由原子对象限制装置限定的平面。

通常，S至P至D的EIT冷却操作可以使用第一流形、第二流形和第三流形来执行，其中第一、第二和第三流形各自是不同的精细结构流形，第一和第二流形是较低能量的流形，并且第一和第二流形两者都可以通过偶极跃迁耦合到第三(较高能量)流形。所示实施例示出了第一流形是S流形，第二流形是D流形，第三流形是P流形的情形。

时钟状态EIT冷却操作示例

各个实施例提供了用于使用原子对象的第一组分的时钟状态来执行EIT冷却的量子计算机、系统、装置等以及相应的方法。

以前，具有类171Yb⁺能量结构(例如，与单电离的171Yb原子相似的精细和/或超精细能量结构)的离子的EIT冷却通过将多个F＝1态耦合到激发流形来进行。例如，通过耦合到P_1/2，F＝0、m＝0状态，使基态流形的S_1/2，F＝1、m＝+1状态耦合到基态流形的S_1/2，F＝1、m＝0状态。然而，S_1/2，F＝1、m＝+1状态到P1/2,F＝0、m＝0状态的耦合需要σ极化，而S_1/2，F＝1、m＝0状态到P_1/2，F＝0、m＝0需要π极化，因此需要磁场相对于传播方向的一定朝向。此外，离子可能会“卡”在S_1/2，F＝0、m＝0状态，并且必须重新泵入S_1/2,F＝1流形，需要将S_1/2，F＝0流形耦合到P流形的额外的操作信号。因此，传统的EIT冷却需要高度的技术复杂性来有效地冷却包含具有类171Yb+的能量结构的第一组分的原子对象。此外，分辨边带冷却将需要超出EIT所需的高带宽控制能力，因此如果想要同时使用两种冷却方法，则需要额外的技术复杂性。因此，存在关于如何高效、有效和稳健地将原子对象冷却到接近其运动基态的技术问题。

各个实施例提供了对这些技术问题的技术解决方案。在各个实施例中，使用将原子对象的第一组分的S流形中的第一时钟状态耦合到P流形的一个或更多个状态的第一操纵信号和将原子对象的第一组分的S流形中的第二时钟状态耦合到P流形的一个或更多个状态的第二操纵信号来执行EIT冷却操作。在各个实施例中，原子对象的第一组分的S流形中的第一个时钟状态是F＝1,m＝0状态，原子对象的第一组分的S流形中的第二个时钟状态是F＝0,m＝0状态。与F＝1,m＝+/-1状态相比，第一和第二时钟状态对环境变化的影响要小得多。在各个实施例中，第一操纵信号和第二操纵信号两者都在P流形的一个或更多个状态之上失谐以建立与S流形中的第一时钟状态和S流形中的第二时钟状态之间的双光子跃迁相关联的暗状态。

通过耦合S流形中的第一和第二时钟状态以产生暗状态，可以实现接近原子对象的运动基态(例如，温度显著低于多普勒冷却极限)的有效冷却，其与分辨边带冷却相比，激光功率要求更低，并且与传统的EIT冷却相比，技术上更简单。此外，在各个实施例中，用于产生和/或提供第一和第二操纵信号的第一和第二操纵源还可用于执行原子对象的第一组分的边带冷却。因此，各个实施例能够使用边带冷却和EIT冷却两者，而不需要额外的激光器或其他操纵源。

此外，时钟状态EIT冷却操作的各个实施例的功效对磁场与第一和第二操纵信号的相对定位不敏感。因此，各个实施例提供了额外的技术优势，即提供高效冷却而不需要关于磁场与第一和第二操纵信号的相对定位的严格要求。

此外，各个实施例的失谐量小于常规EIT冷却操作的常规失谐量，这使得能够同时冷却原子对象的多个模式。例如，各个实施例提供了能够同时对具有不同模式频率(例如，频率范围超过1-3MHz)的原子对象的多个模式进行宽带冷却的额外优势。因此，各个实施例提供了对原子对象的常规激光冷却的技术改进。

图4提供了根据各个实施例的示出示例EIT冷却操作的原子对象(例如，冷却离子)的示例第一组分的部分能级图。部分能级图示出了S流形410。在各个实施例中，EIT冷却操作利用S流形410的两个时钟状态(例如，S流形的m＝0状态)。部分能级图还示出了P流形420。在各个实施例中，EIT冷却操作利用了P流形420的一个或更多个状态。部分能级图进一步示出了相对于相应的时钟状态和P流形420的状态之间的跃迁与P流形420蓝色失谐的第一和第二操纵信号415、425

各个实施例的EIT冷却操作的执行包括将第一操纵信号415和第二操纵信号425施加到原子对象。在一个示例实施例中，第一操纵信号415由第一波长表征λ_A并且具有第一极化。第一波长λ_A对应于S流形410的第一时钟状态412和P流形420之间的跃迁。在各个实施例中，第一波长λ_A对应于在S流形410的第一时钟状态412和P流形420之间的跃迁的共振频率，并从其失谐第一失谐量Δ_A。

在一个示例实施例中，第二操纵信号425由第二波长表征λ_B并且具有第二极化。第二波长λ_B对应于S流形410的第二时钟状态414与P流形420之间的跃迁。在各个实施例中，第二波长λ_B对应于在S流形410的第二时钟状态414和P流形420之间的跃迁的共振频率，并从其失谐第二失谐量Δ_B。

在各个实施例中，当相对于三个能级的特定组进行测量时，第一和第二失谐量基本上彼此相等(例如，Δ_A≈Δ_B)。在一个示例实施例中，原子对象的第一组分是单电离的Yb，第一波长λ_A≈369.5nm(例如，369.5193nm)，第二波长λ₂≈369.5nm(例如，369.5251nm)，第一和第二波长失谐量Δ_A≈30-450MHz≈Δ_B。在一个示例实施例中，Δ_A≈55MHz≈Δ_B。应当理解，基于原子对象的第一组分的能量结构和选择的暗状态，在各种其他实施例中使用各种其他极化方案、波长和失谐。在各个实施例中，可以在执行时钟状态EIT操作期间调整失谐量Δ_A≈Δ_B，以便冷却原子对象的不同(晶体)运动模式。在各个实施例中，可以同时冷却原子对象的多个模式，包括具有不同模式频率(例如，频率范围超过1-3MHz)的原子对象的模式。

在各个实施例中，第一极化和第二极化彼此横向。例如，在第一极化和第二极化为线极化的示例实施例中，第一极化沿其定位的第一方向和第二极化沿其定位的第二方向彼此横向。例如，在一个示例实施例中，正交坐标系是可定义的，使得第一操纵信号在正z方向上传播，第一极化沿x方向定位并且第二操纵信号在负z方向上传播方向，第二极化沿y方向定位。在各个实施例中，第一极化和第二极化可以是线性或圆极化。

应当理解，如本文所用，第一流形和第二流形(例如，S_1/2，F＝1流形和P_1/2，F＝1流形，以及P_1/2，F＝1流形和S_1/2，F＝1流形)之间的跃迁表示第一流形的状态和第二流形的状态之间的跃迁。如本文关于时钟状态EIT冷却操作所使用的，状态的流形是指特定的超精细能级，其中每个流形包括由于施加的磁场通过塞曼分裂而在能量上不同的多个状态。

双光子共振的频率宽度取决于从P_1/2流形的状态(例如，Δ_A、Δ_B)失谐的单光子。例如，当第一和/或第二失谐量减小时，双光子共振的宽度变宽，而当第一和/或第二失谐量增加时，双光子共振的宽度变窄。双光子共振的更窄频率宽度提供到较低温度(与双光子共振的宽频率宽度相比)的更快冷却，而双光子共振的更宽频率宽度提供更宽的冷却带宽(与双光子共振的窄频率宽度相比)。各个实施例通过使用改变小于传统的失谐量和改变第一和第二操纵信号的强度来提供宽带EIT冷却，以实现多个原子对象模式的同时冷却，包括具有不同模式频率(例如，频率范围超过1-3MHz)的原子对象的模式。

在各个实施例中，第一失谐量Δ_A和第二失谐量Δ_B被设置为在30-450MHz范围内的失谐。例如，在一个示例实施例中，Δ_A＝Δ_B≈55MHz，这提供了足够大的冷却带宽以有效地冷却原子对象(例如，离子晶体，例如包含四个离子的离子晶体)的运动模式，同时仍然保持足以用于各种应用的冷却速度和最终温度，所述应用包括冷却限制在量子计算机的原子对象限制装置内的原子对象，其中原子对象包括用作量子计算机的量子位的量子位离子。

在各个实施例中，当分别表征第一和第二操纵信号的第一和第二波长λ_A、λ_B相对于彼此相对稳定时，时钟状态EIT冷却操作的各个实施例的效率得到提高。在一个示例实施例中，第一操纵源和第二操纵源被配置为使得第一波长和第二波长独立地被稳定。在一个示例实施例中，第一操纵信号和第二操纵信号由同一操纵源64产生，使得两个操纵信号的分别的波长相对于彼此基本稳定。

在图4中，通过由实线所示的第一操纵信号415和实线所示的第二操纵信号425的耦合示出由S_1/2流形410的m＝0状态(例如，时钟状态412、414)和P_1/2流形420的状态组成的示例双光子共振，其可以在示例性实施例的时钟状态EIT冷却操作中使用。

图4还示出了通过第一操纵信号415将原子对象从S流形10的塞曼状态416A、416B(m＝+/-1)光泵浦出来。在各个实施例中，P流形420之外的原子对象的自发衰变可导致填充S流形410的非耦合塞曼(例如，m＝+/-1)状态416A、416B。然而，将第一操纵信号415和第二操纵信号425应用于原子对象还从这些非耦合塞曼状态416A、416B中移除种群(removepopulation)，如虚过渡线450所示。例如，将第一操纵信号415应用于原子对象是非耦合塞曼中的原子对象(例如，m＝+/-1)状态416A、416B光泵浦回到时钟状态412、414。因此，从暗状态冷却循环中泄漏的任何原子对象(例如，包括时钟状态412、414和P流形420的一种或更多种状态)将通过该光泵浦过程很快返回。

在一个示例实施例中，第一操纵信号415由第一操纵源64A产生和/或提供，第二操纵信号425由第二操纵源64B产生和/或提供，其中第一操纵源64A和第二操作源64B是不同的操作源。在一个示例实施例中，第一操纵信号415和第二操纵信号425由相同的操纵源(例如，相同的激光器)产生。例如，在一个示例实施例中，第一操纵源和第二操纵源是相同的操纵源或者是重叠的操纵源(例如，包括相同的激光器但可以包括用于准备相应的操纵信号的不同光学部件)。

图5示出了用于执行示例实施例的时钟状态EIT冷却操作的一个示例几何构造。图5示出了位于和/或布置在原子对象限制装置50的特定区域55中的原子对象508。原子对象508包括两个第一组分510和两个第二组分512。第一组分510是第一原子类型并且第二组分512是第二原子类型，第一原子类型与第二原子类型不同。例如，在一个示例实施例中，第一组分510是单电离的Yb原子并且第二组分512是单电离的Ba原子。第一和第二组分510、512沿着原子对象轴505定位和/或布置以限定原子对象轴505。在一个示例实施例中，原子对象轴505基本上平行于原子对象限制装置50的特定区域55的射频零点550。射频零点550是通过将射频电压信号施加到原子对象限制装置50的射频电极和/或轨道而产生的赝势的零点线。

在各个实施例中，产生磁场B，使得在特定区域55中，磁场B具有有限且大致稳定(例如，不随时间改变)的幅度(例如，2-10高斯和/或在一个示例实施例中的5高斯)。在各个实施例中，特定区域55中的磁场B具有与原子对象轴505形成角度θ的磁场方向。在一个示例实施例中，角度θ在0至90度的范围内或在180至270度的范围内。在一个示例实施例中，角度θ大约为45度。

在各个实施例中，磁场方向与第一操纵信号415的传播方向基本不平行或反平行。在各个实施例中，时钟状态EIT冷却操作的效率不依赖于第一和第二操纵信号415、425与磁场方向之间的相对角度，只要磁场方向不与第一操纵信号415的极化418基本平行或反平行即可。

在各个实施例中，第一操纵信号415具有第一极化418(例如，所示实施例中的线极化)。在示例实施例中，第一操纵信号415的极化418横向于磁场方向。

在各个实施例中，第一操纵信号415在横向于原子对象轴505的第一传播方向上传播。在一个示例实施例中，第一操纵信号415在第一传播方向上传播，该第一传播方向与原子对象轴505形成角度

在各个实施例中，角度

为0到90度。在一个示例实施例中，角度

大约为45度。

在各个实施例中，第二操纵信号425具有第二极化428(例如，所示实施例中的线极化)。在一个示例实施例中，第二操纵信号425的第二极化428横向于磁场方向和第一极化418。

在各个实施例中，第二操纵信号425在横向于原子对象轴505的第二传播方向上传播。在一个示例实施例中，第二操纵信号425在第二传播方向上传播，该第二传播方向与原子对象轴505形成角度ψ。在各个实施例中，角度ψ为90到180度。在一个示例实施例中，角度ψ大约为135度。

在各个实施例中，第一传播方向横向于或反平行于第二传播方向。通常，第一传播方向和第二传播方向大致不平行(例如，彼此横向或反平行)。在所示实施例中，第一传播方向和第二传播方向大致彼此反平行(例如，

)。在各个实施例中，

为135到225度。

在各个实施例中，第一传播方向

(相应第一操纵信号415的波向量方向上的单位向量)和第二传播方向

(相应第二操纵信号425的波向量方向上的单位向量)之间的差异在要冷却的运动方向上具有非零投影。例如，当待冷却的原子对象508的模式是轴向模式(例如，对应于沿原子对象轴505的运动)时，

其中

是沿原子对象轴505的单位向量，并且

在另一示例中，当待冷却的原子对象508的模式是径向模式(例如，对应于与原子对象轴505正交的运动)时，

其中

是径向单位向量(例如，

)并且

图5示出了用于执行示例实施例的时钟状态EIT冷却操作的示例几何构造。应当理解，在各种其他实施例中可以使用其他几何构造。例如，在一个示例实施例中，磁场方向可以平行或反平行于原子对象轴505。在示例实施例中，第一传播方向和第二传播方向各自平行于原子对象轴505。在各个实施例中，磁场方向、第一传播方向和/或第二传播可以横向于由原子对象限制装置限定的平面。

执行EIT冷却操作的示例方法

图6提供了示出根据各个实施例的用于执行S至P至D的EIT冷却操作和/或时钟状态EIT冷却操作的各种过程、程序等的流程图。图6所示的示例实施例对应于由基于QCCD的量子计算机(例如量子计算机110)执行的S至P至D的EIT冷却操作和/或时钟状态EIT冷却操作。图6所示的实施例、过程、程序等由量子计算机110的控制器30执行。

从步骤/操作602开始，控制器30使量子计算机110开始执行和/或实施量子电路。例如，控制器30可以控制量子计算机110的电压源、操纵源64、磁场发生器70等，以使量子计算机110执行被原子对象限制装置50限制的原子对象的量子位离子的受控量子态演化。

在步骤/操作604，控制器30确定冷却触发器已被识别。例如，当控制器30控制量子计算机110和/或其构件时，控制器30确定冷却触发器已被识别。在一个示例实施例中，冷却触发器响应于执行传输操作(例如，线性传输、通过二维原子对象限制装置的接合点的传输、原子对象内的组分的重新排序、组合原子对象、分裂原子对象、交换原子对象等)并确定在传输操作期间获得的多余热量将从原子对象中移除而被识别。在一个示例实施例中，冷却触发器被识别以准备执行量子门。在各个实施例中，各种动作和/或计划的动作可以使控制器30确定冷却触发器已被识别。在各个实施例中，冷却触发器指示原子对象限制装置50的特定区域55，在该特定区域55中将执行冷却操作。

在步骤/操作606，控制器30控制磁场发生器70以在特定区域55中生成具有磁场方向和特定幅度的磁场。在一个示例实施例中，磁场发生器70是永磁体并且控制器30不需要控制磁场发生器70。在一个示例实施例中，磁场发生器70被配置为产生和/或维持在整个量子计算机110的操作和/或量子电路和/或算法的执行过程中大致稳定的具有磁场方向和特定幅度的磁场。因此，在一个示例实施例中，控制器30控制磁场发生器70以维持具有磁场方向和特定幅度的特定区域55中的磁场。

在步骤/操作608，控制器30控制第一操纵源64A生成第一操纵信号215、415并将其提供给特定区域55，并且控制第二操纵源64B生成第二操纵信号225、425并将其提供到特定区域55。

在各个实施例中，EIT冷却操作是S至P至D的EIT冷却操作，并且第一操纵信号215由第一波长表征λ₁，其对应于原子对象308的第一组分310的S流形和P流形之间的跃迁，并且从S流形和P流形之间的过渡失谐第一失谐量Δ_SP。在各个实施例中，第二操纵信号225由第二波长表征λ₂，其对应于原子对象308的第一组分310的P流形和D流形之间的跃迁并且从P流形和D流形之间的跃迁失谐第二次失谐量Δ_PD。

在各个实施例中，EIT冷却操作是时钟状态EIT冷却操作并且第一操纵信号415由第一波长表征λ_A，其对应于原子对象408的第一组分510的S流形的第一时钟状态412和P流形420之间的跃迁，并且从第一时钟状态412和P流形420之间的跃迁失谐第一失谐量Δ_A。在各个实施例中，第二操纵信号425由第二波长表征λ_B，其对应于原子对象508的第一组分510的S流形的第二时钟状态414和P流形420之间的跃迁，并且从第二时钟状态414和P流形420之间的跃迁失谐第二失谐量Δ_B。

在各个实施例中，第一和第二失谐量在S至P至D的EIT冷却操作的情况下对应于(例如，被调谐到和/或基于)与在S流形和D流形之间的双光子跃迁相关联的(选择的)暗状态，或者在时钟状态EIT冷却操作的情况下，对应于与在第一时钟状态412和第二时钟状态414之间的双光子跃迁相关联的(选择的)暗状态。在各个实施例中，提供第一和第二操纵信号215、415、225、425，使得布置在特定区域55中的原子对象具有以时间重叠方式入射在其上的第一和第二操纵信号。例如，在至少某个时间段内，第一和第二操纵信号两者同时入射到设置在特定区域55中的原子对象上。

在各个实施例中，在执行S至P至D的EIT冷却操作或时钟状态EIT冷却操作之前，执行多普勒冷却操作。例如，在一个示例实施例中，响应于确定冷却触发被识别，执行多普勒冷却操作，然后执行S至P至D的EIT冷却操作或时钟状态EIT冷却操作，视原子对象和/或其组分而定。在一个示例实施例中，响应于确定在特定区域55中已经执行多普勒冷却操作直到设置在特定区域55中的原子对象已经达到多普勒极限来识别冷却触发。

在步骤/操作610，控制器30确定是否已经执行了足够的冷却。例如，控制器30可以控制量子计算机110的一个或更多个元件执行一个或更多个测量，以确定设置在特定区域55中的原子对象的温度和/或运动模式。例如，控制器30可以确定S至P至D的EIT冷却操作或时钟状态EIT冷却操作是否已经执行了足够长的时间以引起足够的冷却。例如，在一个示例实施例中，控制器30被配置为在冷却时间期间执行S至P至D的EIT冷却操作或时钟状态EIT冷却操作，并且确定是否已经执行了足够的冷却是确定是否在冷却时间期间执行了S至P至D的EIT冷却操作或时钟状态EIT冷却操作。在各个实施例中，冷却时间为0.2至1.5毫秒。

在各个实施例中，各个实施例的S至P至D的EIT冷却操作在小于1.5毫秒内将原子对象308从多普勒极限冷却到

其中

是原子对象的特定模式中的光子平均数。在各个实施例中，各个实施例的S至P至D的EIT冷却操作在0.2到1.25毫秒内将原子对象308从多普勒极限冷却到

在一个示例实施例中，各个实施例的S至P至D的EIT冷却操作在0.2到0.5毫秒内将原子对象308从多普勒极限冷却到

例如，在一个示例实施例中，各个实施例的S至P至D的EIT冷却操作在大约0.25毫秒内将原子对象308从多普勒极限冷却到

因此，控制器30可以确定自从第一和第二操纵信号215、225开始被施加到特定区域55以来冷却时间是否已经过去。在各个实施例中，冷却时间是0.25毫秒、0.5毫秒、1毫秒、1.25毫秒、1.5毫秒等。

在各个实施例中，各个实施例的时钟状态冷却操作被配置为对于轴向门模式在大约0.7毫秒内和对于轴向质心模式在大约0.13毫秒内将原子对象508从多普勒极限冷却到低于

在各个实施例中，时钟状态冷却操作被配置为在小于0.55ms内将所有径向模式冷却到

以下。因此，控制器30可以确定自从第一和第二操纵信号415、425开始被施加到特定区域55以来冷却时间是否已经过去。在各个实施例中，冷却时间是0.25毫秒、0.55毫秒、0.8毫秒、1毫秒、1.25毫秒等。

当确定没有进行充分的冷却时(例如，S至P至D的EIT冷却操作或时钟状态EIT冷却操作已经执行了短于冷却时间)，该过程返回到步骤/操作608并且第一和第二操纵信号215、225继续被施加到特定区域55。当确定已经执行了足够的冷却时(例如，S至P至D的EIT冷却操作或时钟状态EIT冷却操作已经执行冷却时间)，该过程继续到步骤/操作612。

在步骤/操作612，控制器30控制第一操纵源64A和第二操纵源64B以使第一操纵信号215和第二操纵信号225停止被施加到特定区域55。例如，控制器30可以使第一操纵源64A和/或第二操纵源64B分别停止产生第一操纵信号215和/或第二操纵信号225。例如，控制器30可以控制一个或更多个调制器以使第一操纵信号215和/或第二操纵信号225停止被提供和/或施加到特定区域55。

在步骤/操作614，控制器30控制量子计算机110的各种元件(例如，电压源、操纵源64、磁场发生器70等)以继续执行和/或实施量子电路。例如，控制器30可以控制量子计算机110的各种元件，以使一个或更多个原子对象被传输到特定区域55中、离开特定区域55和/或在其内部被传输，对一个或更多个原子执行一个或更多个量子门，读取一个或更多个原子对象的状态和/或原子对象的组分等。

技术优势

在各种实施例中，执行S至P至D的EIT冷却操作。在各个实施例中，提供能够执行S至P至D的EIT冷却的系统(例如，量子计算机)和/或被配置为使相应系统执行S至P至D的EIT冷却的控制器。例如，各个实施例提供了这样的系统，其中原子对象的第一组分具有低位D流形并且原子对象至少部分地使用S至P至D的EIT冷却操作被冷却。各个实施例的S至P至D的EIT冷却操作为传统激光冷却技术提供了技术优势，并且为关于传统激光冷却技术的技术问题提供了技术解决方案。

例如，多普勒冷却仅能够将原子对象冷却到多普勒极限，这对于各种应用(包括基于QCCD的量子计算应用)来说还不够低。此外，与EIT冷却相比，多普勒冷却相对较慢。各个实施例的S至P至D的EIT冷却操作能够以在0.2到1.5毫秒的冷却时间内将原子对象高效地冷却至远低于多普勒极限(例如，

)。虽然分辨边带冷却能够使冷却低于多普勒极限，但分辨边带冷却在技术上实施起来很复杂，需要高激光功率，并且对激光强度的波动很敏感。当原子对象包含多个组分和/或为包含多个离子和/或原子的晶体时，分辨边带冷却实现在技术上尤其复杂。各个实施例的S至P至D的EIT冷却操作提供了对分辨边带冷却的改进，包括更低的实现技术复杂性和更低的激光功率要求，同时保持快速和有效的冷却性能。各个实施例的S至P至D的EIT冷却操作进一步避免了对具有低位D流形的原子对象的组分执行常规EIT冷却的复杂性。例如，在具有低D流形的原子和/或离子的传统EIT冷却中，原子和/或离子很可能“卡”在低D流形中，需要重新泵送回S流形和P流形之间的冷却循环。因此，对于具有低位D流形的原子和/或离子和/或具有低位D流形的第一组分的原子对象，各个实施例的S至P至D的EIT冷却操作与传统EIT冷却相比降低了技术复杂性。

各个实施例的S至P至D的EIT冷却操作提供了额外的技术优势，即用于生成第一和第二操纵信号的操纵源可以是用于执行多普勒冷却的相同操纵源。因此，例如，该系统可以被配置为使用相同的两个激光器执行多普勒冷却和S至P至D的EIT冷却，这进一步降低了各种实施例中实现的技术复杂性。

在各个实施例中，执行时钟状态EIT冷却操作。在各个实施例中，提供了能够执行时钟状态EIT冷却的系统(例如，量子计算机)和/或被配置为使相应系统执行时钟状态EIT冷却操作的控制器。例如，各个实施例提供了这样的系统，其中原子对象的第一组分具有类似于单电离的Yb的能量结构，并且原子对象至少部分地使用时钟状态EIT冷却操作来冷却。各个实施例的时钟状态EIT冷却操作为传统激光冷却技术提供了技术优势，并且为关于传统激光冷却技术的技术问题提供了技术解决方案。

例如，如本文其他地方所讨论的，激光冷却技术是相对较慢的过程(例如，与由QCCD量子处理器执行的其他过程相比，例如量子门、原子对象传输等)。此外，传统的激光冷却技术需要很大的激光功率。此外，具有类171Yb+能量结构(例如，与单电离的171Yb原子类似的精细和/或超精细能量结构)的离子的先前的EIT冷却通过将多个F＝1状态耦合到激发流形来工作。例如，通过耦合到P_1/2，F＝0、m＝0状态，将基态流形的S_1/2,F＝1、m＝+1状态耦合到基态流形的S_1/2,F＝1、m＝0状态。然而，将S_1/2,F＝1、m＝+1状态耦合到基态流形的S_1/2,F＝0、m＝0状态需要σ极化，而S_1/2,F＝1、m＝0状态到P_1/2,F＝0、m＝0需要π极化，因此需要磁场相对于传播方向的一定朝向。此外，离子可能会“卡”在S_1/2,F＝0、m＝0状态，并且必须重新泵入S_1/2,F＝1流形，需要将S_1/2,F＝0流形耦合P状态的额外操作信号。因此，传统的EIT冷却需要高度的技术复杂性来有效地冷却具有第一组分的原子对象，该第一组分具有类171Yb+的能量结构。此外，分辨边带冷却将需要超出EIT所需的高带宽控制能力，因此如果想要同时使用两种冷却方法，则需要额外的技术复杂性。因此，存在关于如何高效、有效和稳健地将原子对象冷却到接近其运动基态的技术问题。

各个实施例提供了对这些技术问题的技术解决方案。在各个实施例中，使用将原子对象的第一组分的S流形中的第一时钟状态耦合到P流形的一个或更多个状态的第一操纵信号和将原子对象的第一组分的S流形中的第二时钟状态耦合到P流形的一个或更多个状态的第二操纵信号来执行EIT冷却操作。在各个实施例中，原子对象的第一组分的S流形中的第一个时钟状态是F＝0、m＝0状态，原子对象的第一组分的S流形中的第二个时钟状态是F＝1、m＝0状态。与F＝1、m＝+/-1状态相比，第一和第二时钟状态更不容易受到环境变化的影响。在各个实施例中，第一操纵信号和第二操纵信号两者都在P流形的一个或更多个状态之上失谐以建立与S流形中的第一时钟状态和S流形中的第二时钟之间的双光子跃迁相关联的暗状态。通过耦合S流形中的第一和第二时钟状态以产生(选定的)暗状态，可以实现接近原子对象的运动基态(例如，温度显著低于多普勒冷却极限)的有效冷却，与分辨边带冷却相比，激光功率要求更低，并且技术上比传统的EIT冷却更简单。此外，在各个实施例中，用于产生和/或提供第一和第二操纵信号的第一和第二操纵源还可用于执行原子对象的第一组分的边带冷却。因此，各个实施例能够使用边带冷却和EIT冷却两者，而不需要额外的激光器或其他操纵源。此外，与传统的激光冷却技术相比，各个实施例导致原子对象的冷却更快，同时使用更少的功率。因此，各个实施例提供了对原子对象的常规激光冷却的技术改进。

示例控制器

在各个实施例中，量子计算机110包括控制器30，其被配置为控制量子计算机110的各种元件。在各个实施例中，控制器30可以被配置为使量子计算机110执行各种操作(例如，诸如门操作、冷却操作、传输操作、量子位交互操作、量子位测量操作之类的计算操作；泄漏抑制/转换操作；等)。例如，控制器30可以被配置为识别冷却触发，导致执行冷却操作(例如，S至P至D的EIT冷却操作、时钟状态EIT冷却操作和/或多普勒冷却，然后S至P至D或时钟状态的EIT冷却操作)，控制第一和/或第二操纵源以提供第一和/或第二操纵信号等。例如，控制器30可以被配置成控制低温系统和/或真空系统，控制低温和/或真空室40内的温度和压力、操纵源64、被配置成向原子对象限制装置50的电极施加电压信号的电压源、磁场发生器70和/或控制低温和/或真空室40内的环境条件(例如，温度、湿度、压力等)和/或被配置为操纵和/或使原子对象限制装置50内的一个或更多个原子对象的量子态的受控演化的系统。

如图7所示，在各个实施例中，控制器30可以包括各种控制器元件，包括处理元件705、存储器710、驱动器控制器元件715、通信接口720、模数转换器元件725等。例如，处理元件705可以包括可编程逻辑器件(CPLD)、微处理器、协处理实体、专用指令集处理器(ASIP)、集成电路、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、可编程逻辑阵列(PLA)、硬件加速器、其他处理装置和/或电路等和/或控制器。术语电路可以指完全硬件实施例或硬件和计算机程序产品的组合。在一个示例实施例中，控制器30的处理元件705包括时钟和/或与时钟通信。

例如，存储器710可以包括非瞬态存储器，例如易失性存储器，和/或非易失性存储器，例如以下的一种或更多种：硬盘、ROM、PROM、EPROM、EEPROM、闪存、MMC、SD存储卡、记忆棒、CBRAM、PRAM、FeRAM、RRAM、SONOS、赛道内存、RAM、DRAM、SRAM、FPM DRAM、EDO DRAM、SDRAM、DDR SDRAM、DDR2SDRAM、DDR3SDRAM、RDRAM、RIMM、DIMM、SIMM、VRAM、高速缓冲存储器、寄存器存储器等。在各个实施例中，存储器710可以存储对应于量子计算机的量子位的量子位记录(例如，在量子位记录数据存储、量子位记录数据库、量子位记录表等中)、校准表、可执行文件队列、计算机程序代码(例如，以一种或更多种计算机语言、一种或更多种专用控制器语言等)等。在一个示例实施例中，存储在存储器710中的计算机程序代码的至少一部分的执行(例如，通过处理元件705)使得控制器30执行本文所述的一个或更多个步骤、操作、过程、程序等。

在各个实施例中，驱动器控制器元件715可以包括一个或更多个驱动器和/或控制器元件，其每个都被配置为控制一个或更多个驱动器。在各个实施例中，驱动器控制器元件715可以包括驱动器和/或驱动器控制器。例如，驱动器控制器可以被配置为使得一个或更多个相应的驱动器根据由控制器30(例如，由处理元件505)调度和执行的可执行指令、命令等来操作。在各个实施例中，驱动器控制器元件715可以使得控制器30能够操作和/或控制一个或更多个操纵源64、控制一个或更多个磁场发生器70、操作真空和/或低温系统等。在各个实施例中，驱动器可以是激光驱动器；真空构件驱动器；电压源(例如，交流电压源、任意波形发生器(AWG)、直接数字合成器(DDS)等)；低温和/或真空系统构件驱动器等。在各个实施例中，控制器30包括用于通信和/或接收来自一个或更多个光学接收器构件的信号的装置，所述光学接收器构件例如相机、MEMS相机、CCD相机、光电二极管、光电倍增管等。例如，控制器30可以包括一个或更多个模数转换器元件725，其被配置为从一个或更多个光学接收器构件、校准传感器等接收信号。例如，控制器30可以通过模数转换器元件725接收对应于原子对象限制装置50的特定区域55中的条件和/或对应于各种原子对象308的测量值。

在各个实施例中，控制器30可以包括用于与计算实体10对接和/或通信的通信接口720。例如，控制器30可以包括通信接口720，其用于从计算实体10接收可执行指令、命令集等，并且给计算实体10提供从量子计算机110(例如，从光学收集系统或其它测量系统)接收的输出，和/或输出的处理结果。在各个实施例中，计算实体10和控制器30可以通过直接有线和/或无线的连接和/或一个或更多个有线和/或无线网络20进行通信。

示例性计算实体

图8提供代表可以与本发明的实施例结合使用的示例计算实体10的说明性示意图。在各个实施例中，计算实体10被配置为允许用户给量子计算机110提供输入(例如，通过计算实体10的用户界面)，并接收、显示、分析和/或类似地处理来自计算机110的输出。例如，用户可以操作计算实体10来生成和/或编程量子算法和/或量子电路，可提供所述量子算法和/或量子电路，以使得控制器30可以接收量子算法和/或量子电路并使得量子计算机110执行量子算法和/或量子电路。

如图8所示，计算实体10可以包括天线812、发射器814(例如无线电)、接收器806(例如无线电)，以及分别地给发送器814和接收器806提供信号和从发送器814和接收器806接收信号的处理装置和/或元件808。分别地提供给发射器814和接收器806和从发射器814和接收器806接收的信号可以包括根据适用无线系统的空中接口标准的信令信息/数据，以与诸如控制器30、其它计算实体10等的各种实体进行通信。在这方面，计算实体10可能能够以一种或更多种空中接口标准、通信协议、调制类型和接入类型进行操作。例如，计算实体10可以被配置为使用有线数据传输协议，例如光纤分布式数据接口(FDDI)、数字用户线(DSL)、以太网、异步传输模式(ATM)、帧中继、有线数据服务接口规范(DOCSIS)，或任何其它有线传输协议，接收和/或提供通信。类似地，计算实体10可以被配置为使用多种协议中的任何一种，例如通用分组无线电服务(GPRS)、通用移动电信系统(UMTS)、码分多址2000(CDMA2000)、CDMA2000 1X(1xRTT)、宽带码分多址(WCDMA)、全球移动通信系统(GSM)、增强型数据速率GSM演进(EDGE)、时分同步码分多址(TD-SCDMA)、长术语演进(LTE)、演进的通用陆地无线接入网络(E-UTRAN)、演进数据优化(EVDO)、高速分组接入(HSPA)、高速下行链路分组接入(HSDPA)、IEEE 802.11(Wi-Fi)、Wi-Fi Direct、802.16(WiMAX)、超宽带(UWB)、红外(IR)协议、近场通信(NFC)协议、Wibree、蓝牙协议、无线通用串行总线(USB)协议，和/或任何其它无线协议，通过无线外部通信网络进行通信。计算实体10可以使用这样的协议和标准来使用边界网关协议(BGP)、动态主机配置协议(DHCP)、域名系统(DNS)、文件传输协议(FTP)、超文本传输协议(HTTP)、HTTPS/SSL/加密协议、Internet消息访问协议(IMAP)、网络时间协议(NTP)、简单邮件传输协议(SMTP)、Telnet、传输层安全(TLS)、安全套接字层(SSL)、Internet协议(IP)、传输控制协议(TCP)、用户数据报协议(UDP)、数据报拥塞控制协议(DCCP)、流控制传输协议(SCTP)、超文本标记语言(HTML)等，进行通信。

通过这些通信标准和协议，计算实体10可以使用诸如非结构化补充服务信息/数据(USSD)、短消息服务(SMS)、多媒体消息服务(MMS)、双音多频信令(DTMF)和/或用户身份模块拨号器(SIM拨号器)的概念，与各个其它实体进行通信。计算实体10还可以将改变、附加件和更新下载到其固件、软件(例如，包括可执行指令、应用程序、程序模块)和操作系统。

计算实体10还可以包括用户接口装置，其包括一个或更多个用户输入/输出接口(例如，耦接到处理装置和/或元件808的显示器816和/或扬声器/扬声器驱动器，和耦接到处理装置和/或元件808的触摸屏、键盘、鼠标和/或麦克风)。例如，用户输出接口可以被配置为提供应用程序、浏览器、用户界面、界面、仪表板、屏幕、网页、页面和/或本文可互换地使用的类似词语，其在计算实体10上执行或可通过计算实体10访问，以使得显示或听觉呈现信息/数据，并通过一个或更多个用户输入接口与之交互。用户输入接口可以包括允许计算实体10接收数据的多个装置中的任何一个，例如小键盘818(硬的或软的)、触摸显示器、语音/语言或动作接口、扫描仪、阅读器，或其它输入装置。在包括小键盘818的实施例中，小键盘818可以包括(或导致显示)常规数字(0-9)和相关键(#、*)，以及用于操作计算实体10的其它键，并且可以包括完整的字母键组或可以被激活以提供完整的字母数字键组的键组。除了提供输入之外，用户输入接口还可用于例如激活或停用某些功能，例如屏幕保护程序和/或睡眠模式。通过这样的输入，计算实体10可以收集信息/数据、用户交互/输入等。

计算实体10还可以包括易失性存储或存储器822和/或非易失性存储或存储器824，它们可以是内置的和/或可以是可移除的。例如，非易失性存储器可以是ROM、PROM、EPROM、EEPROM、闪存、MMC、SD存储卡、记忆棒、CBRAM、PRAM、FeRAM、RRAM、SONOS、跑道存储器等。易失性存储器可以是RAM、DRAM、SRAM、FPM DRAM、EDO DRAM、SDRAM、DDR SDRAM、DDR2SDRAM、DDR3SDRAM、RDRAM、RIMM、DIMM、SIMM、VRAM、高速缓冲存储器、寄存器存储器等。易失性存储或存储器和非易失性存储或存储器可以存储数据库、数据库实例、数据库管理系统实体、数据、应用程序、程序、程序模块、脚本、源代码、目标代码、字节代码、编译代码、解释代码、机器代码、可执行指令等，以实施计算实体10的功能。

结语

受益于以上的描述和相关附图中呈现的教导，本发明所属领域的技术人员会想到本文阐述的本发明的许多修改和其它实施例。因此，应当理解，本发明不限于所公开的具体实施例，修改和其它实施例旨在包括在所附权利要求的范围内。尽管在此使用了具体术语，但它们仅用于一般性和描述性的意义，而不是为了限制的目的。

以下附加条款作为说明书的一部分：

1、一种用于冷却由原子对象限制装置限制的原子对象的方法，该方法包括：

通过与所述原子对象限制装置相关联的控制器，控制第一操纵源，以向所述原子对象限制装置的特定区域提供第一操纵信号；和

通过所述控制器，控制第二操纵源，以向所述原子对象限制装置的特定区域提供第二操纵信号，

其中：

待冷却的所述原子对象位于所述原子对象限制装置的特定区域中，

所述第一操纵信号由第一波长表征，该第一波长对应于所述原子对象的第一组分的S流形与P流形之间的跃迁，并且从S流形与P流形之间的跃迁失谐第一失谐量，

所述第二操纵信号由第二波长表征，该第二波长对应于所述原子对象的第一组分的P流形与D流形之间的跃迁，并且从P流形与D流形之间的跃迁失谐第二失谐量，

选择所述第一失谐量和所述第二失谐量，以建立与S流形与D流形之间的双光子跃迁相关联的暗状态。

2、根据项目1所述的方法，其中，所述原子对象是包括两个或更多个离子的离子晶体，并且所述原子对象的第一组分是第一原子对象类型的两个或更多个离子中的至少一个。

3、根据项目2所述的方法，其中，所述原子对象的第一组分被配置为用作晶体的协同冷却方案中的冷却离子。

4、根据项目2所述的方法，其中，所述原子对象的第二组分是第二原子对象类型的两个或更多个离子中的至少一个，所述第二原子对象类型不同于所述第一原子对象类型，并且其中，所述第二原子对象类型的两个或更多个离子中的所述至少一个被配置为用作包括所述原子对象限制装置的量子计算机的量子位。

5、根据项目1所述的方法，其中，所述第一失谐量和所述第二失谐量大致相等。

6、根据项目1所述的方法，其中，第一操纵信号的极化和第二操纵信号的极化对应于与暗状态相关联的双光子跃迁。

7、根据项目1所述的方法，还包括使得在原子对象限制装置的特定区域中生成具有磁场方向的磁场，其中，原子对象或原子对象限制装置的特定区域中的一个限定原子对象轴，并且磁场方向横向于原子对象轴。

8、根据项目7所述的方法，其中，磁场方向和原子对象轴形成三十度到六十度的角度。

9、根据项目7所述的方法，其中，第一操纵信号限定横向于原子对象轴的第一传播方向，并且第二操纵信号限定横向于原子对象轴的第二传播方向。

10、根据项目9所述的方法，其中，第一传播方向和第二传播方向不共同传播，并且磁场方向横向于第一传播方向和第二传播方向两者。

11、根据项目10所述的方法，其中，第一传播方向和第二传播方向两者都大致垂直于磁场方向。

12、根据项目9所述的方法，其中，(a)第一操纵信号的极化大致横向于由原子对象限制装置限定的平面，(b)第二操纵信号的极化大致横向于由原子对象限制装置限定限定的平面，并且(c)第一传播方向、第二传播方向和磁场方向分别大致平行于原子限制装置所限定的平面。

13、一种装置，其包括至少一个处理器和存储计算机可执行指令的存储器，所述计算机可执行指令被配置为，当被所述至少一个处理器执行时，使得所述装置至少：

控制第一操纵源，以向原子对象限制装置的特定区域提供第一操纵信号；和

控制第二操纵源，以向所述原子对象限制装置的特定区域提供第二操纵信号，

其中：

原子对象位于所述原子对象限制装置的特定区域中，

第一操纵信号和第二操纵信号被配置为共同冷却原子对象，

所述第一操纵信号由第一波长表征，该第一波长对应于所述原子对象的第一组分的S流形与P流形之间的跃迁，并且从S流形与P流形之间的跃迁失谐第一失谐量，

所述第二操纵信号由第二波长表征，该第二波长对应于所述原子对象的第一组分的P流形与D流形之间的跃迁，并且从P流形与D流形之间的跃迁失谐第二失谐量，

选择所述第一失谐量和所述第二失谐量，以建立与S流形与D流形之间的双光子跃迁相关联的暗状态。

14、根据项目13所述的装置，其中，(a)该装置是包括该原子对象限制装置的量子计算机的控制器，(b)该原子对象是包含两个或更多个离子的离子晶体，并且原子对象的第一组分是第一原子对象类型的两个或更多个离子中的至少一个，和(c)原子对象的第一组分被配置为用作所述离子晶体的协同冷却方案中的冷却离子。

15、根据项目14所述的装置，其中，所述原子对象的第二组分是第二原子对象类型的两个或更多个离子中的至少一个，所述第二原子对象类型不同于所述第一原子对象类型，并且其中，所述第二原子对象类型的两个或更多个离子中的所述至少一个被配置为用作包括所述原子对象限制装置的量子计算机的量子位。

16、根据项目13所述的装置，其中，第一操纵信号的极化和第二操纵信号的极化对应于与暗状态相关联的双光子跃迁。

17、根据项目13所述的装置，其中，所述计算机可执行指令进一步配置为，当由至少一个处理器执行时，使所述装置至少在原子对象限制装置的特定区域中产生具有磁场方向的磁场，中，原子对象或原子对象限制装置的特定区域中的一个限定原子对象轴，并且磁场方向横向于原子对象轴。

18、根据项目17所述的装置，其中，第一操纵信号限定横向于原子对象轴的第一传播方向，并且第二操纵信号限定横向于原子对象轴的第二传播方向。

19、根据项目18所述的装置，其中，第一操纵信号和第二操纵信号不共同传播，并且所述磁场方向横向于第一传播方向和第二传播方向两者。

20、一种系统，其包括：

原子对象限制装置，其被配置为将原子对象限制在所述原子对象限制装置的特定区域中；

第一操纵源，其可由所述系统的控制器控制，并被配置为向所述原子对象限制装置的特定区域提供第一操纵信号；

第二操纵源，其可由所述系统的控制器控制，并被配置为向所述原子对象限制装置的特定区域提供第二操纵信号；和

所述控制器，其包括至少一个处理器和存储计算机可执行指令的存储器，所述计算机可执行指令被配置为，当被所述至少一个处理器执行时，使得所述控制器至少：

控制第一操纵源，以向原子对象限制装置的特定区域提供第一操纵信号；和

控制第二操纵源，以向所述原子对象限制装置的特定区域提供第二操纵信号，

其中：

第一操纵信号和第二操纵信号被配置为共同冷却原子对象，

所述第一操纵信号由第一波长表征，该第一波长对应于所述原子对象的第一组分的S流形与P流形之间的跃迁，并且从S流形与P流形之间的跃迁失谐第一失谐量，

所述第二操纵信号由第二波长表征，该第二波长对应于所述原子对象的第一组分的P流形与D流形之间的跃迁，并且从P流形与D流形之间的跃迁失谐第二失谐量，

选择所述第一失谐量和所述第二失谐量，以建立与S流形与D流形之间的双光子跃迁相关联的暗状态。

Claims (10)

1.一种用于冷却由原子对象限制装置限制的原子对象的方法，该方法包括：

通过与所述原子对象限制装置相关联的控制器，控制第一操纵源，以向所述原子对象限制装置的特定区域提供第一操纵信号；和

通过所述控制器，控制第二操纵源，以向所述原子对象限制装置的特定区域提供第二操纵信号，

其中：

待冷却的原子对象位于所述原子对象限制装置的特定区域中，

所述第一操纵信号由第一波长表征，所述第一波长对应于所述原子对象的第一组分的S流形与P流形之间的跃迁，并且从S流形与P流形之间的跃迁失谐第一失谐量，

所述第二操纵信号由第二波长表征，所述第二波长对应于所述原子对象的第一组分的P流形与D流形之间的跃迁，并且从P流形与D流形之间的跃迁失谐第二失谐量，

选择所述第一失谐量和所述第二失谐量，以建立与S流形与D流形之间的双光子跃迁相关联的暗状态。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，(a)所述原子对象是包括两个或更多个离子的离子晶体，(b)所述原子对象的第一组分是第一原子对象类型的两个或更多个离子中的至少一个，(c)所述原子对象的第一组分被配置为用作晶体的协同冷却方案中的冷却离子，(d)所述原子对象的第二组分是第二原子对象类型的两个或更多个离子中的至少一个，(e)所述第二原子对象类型不同于所述第一原子对象类型，并且(f)，所述第二原子对象类型的两个或更多个离子中的至少一个被配置为用作包括所述原子对象限制装置的量子计算机的量子位。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一失谐量和所述第二失谐量大致相等。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，第一操纵信号的极化和第二操纵信号的极化对应于与暗状态相关联的双光子跃迁。

5.根据权利要求1所述的方法，还包括在所述原子对象限制装置的特定区域中生成具有磁场方向的磁场，其中，原子对象或原子对象限制装置的特定区域中的一个限定原子对象轴，并且磁场方向横向于原子对象轴。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，磁场方向和原子对象轴形成三十度到六十度的角度。

7.根据权利要求5所述的方法，其中，第一操纵信号限定横向于原子对象轴的第一传播方向，并且第二操纵信号限定横向于原子对象轴的第二传播方向。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，第一操纵信号和第二操纵信号不共同传播，并且所述磁场方向横向于第一传播方向和第二传播方向两者。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，第一传播方向和第二传播方向两者都大致垂直于磁场方向。

10.根据权利要求7所述的方法，其中，(a)第一操纵信号的极化大致横向于由所述原子对象限制装置限定的平面，(b)第二操纵信号的极化大致横向于由所述原子对象限制装置限定限定的平面，以及(c)第一传播方向、第二传播方向和磁场方向分别大致平行于原子限制装置所限定的平面。

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