CN116739093B

CN116739093B - 一种量子比特操作系统、拉曼操作光生成装置和方法

Info

Publication number: CN116739093B
Application number: CN202310993875.5A
Authority: CN
Inventors: 蔡明磊
Original assignee: Huayi Boao Beijing Quantum Technology Co ltd
Current assignee: Huayi Boao Beijing Quantum Technology Co ltd
Priority date: 2023-08-09
Filing date: 2023-08-09
Publication date: 2023-11-14
Anticipated expiration: 2043-08-09
Also published as: CN116739093A

Abstract

本申请公开了一种量子比特操作系统、拉曼操作光生成装置和方法，系统包括：包括拉曼操作光生成装置以及量子比特操作装置，其中拉曼操作光生成装置用于生成对量子比特进行拉曼操作的拉曼操作光，量子比特操作装置接收拉曼操作光，并利用拉曼操作光对量子比特进行拉曼操作；拉曼操作光生成装置包括激光发射器、电光调制器、法布里－珀罗腔、微波发生器以及光引导组件。本系统和方法能用比传统方法低的多的调制深度实现接近或超越传统方法的理论转换效率。

Description

一种量子比特操作系统、拉曼操作光生成装置和方法

技术领域

本申请涉及量子计算领域，特别是涉及一种量子比特操作系统、拉曼操作光生成装置和方法。

背景技术

在基于离子或原子的量子计算中，对量子比特的操作一般基于远失谐拉曼操作（远失谐是指激光失谐量远远大于量子比特频率ω_q）。为了实现拉曼操作，需要操作量子比特的激光束含有至少两个频率成分，并且两个频率成分的差值在量子比特频率ω_q附近。实现这种激光束的常用方法是对激光做电光相位调制使其含有至少两个频率成分。

但是由于拉曼操作需要以接近量子比特频率ω_q的频率进行幅度调制的激光束，因此还需要通过一定的方法使得相位调制转成幅度调制。利用法布里－珀罗腔将相位调制转成幅度调制是一种常用方法，但传统的基于腔的方法一般基于透射光，即利用腔选择性地将激光的特定边带（一般是奇数阶或偶数阶边带）成分滤除或压制从而实现相位调制向幅度调制的转换。但在这种方法中，相位调制向幅度调制转换的效率比较低，而且达到最高理论转换效率（24.3%）时，电光调制器的调制深度需要到3.05，已经接近半波调制深度3.14，这是很难实现的。

针对上述的现有技术中存在的相位调制向幅度调制转换的效率比较低、调制深度难以实现等技术问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本公开提供了一种量子比特操作系统、拉曼操作光生成装置和方法，以至少解决现有技术中存在的相位调制向幅度调制转换的效率比较低、调制深度难以实现等的技术问题。

根据本申请的一个方面，提供了一种量子比特操作系统，包括拉曼操作光生成装置以及量子比特操作装置，其中拉曼操作光生成装置用于生成对量子比特进行拉曼操作的拉曼操作光，量子比特操作装置接收拉曼操作光，并利用拉曼操作光对量子比特进行拉曼操作，并且其中，拉曼操作光生成装置包括激光发射器、电光调制器、法布里－珀罗腔、微波发生器以及光引导组件。其中微波发生器连接电光调制器的驱动端，并向电光调制器发送调制信号。其中调制信号的调制频率为量子比特频率的1/n，n为大于等于1的自然数；电光调制器基于调制信号对激光发射器发射的激光进行调制并生成相应的调制光；光引导组件将调制光引导至法布里－珀罗腔，并将法布里－珀罗腔的反射光作为拉曼操作光引导至量子比特操作装置。

根据本申请的第二个方面，提供了一种拉曼操作光生成装置，用于生成对量子比特进行拉曼操作的拉曼操作光，包括激光发射器、电光调制器、法布里－珀罗腔、微波发生器以及光引导组件。其中微波发生器连接电光调制器的驱动端，并向电光调制器发送调制信号。其中调制信号的调制频率为量子比特频率的1/n，n为大于等于1的自然数；电光调制器基于调制信号对激光发射器发射的激光进行调制并生成相应的调制光；光引导组件将调制光引导至法布里－珀罗腔，并将法布里－珀罗腔的反射光作为拉曼操作光。

根据本申请的第三个方面，提供了一种产生拉曼操作光的方法，使用第二方面所述的拉曼操作光生成装置，包括：通过微波发生器向电光调制器发送调制信号，其中调制信号的调制频率为量子比特频率的1/n，n为大于等于1的自然数；将激光发射器发射的激光射向电光调制器，通过电光调制器对激光进行相位调制生成相应的调制光；将调制光射入法布里－珀罗腔；以及获取法布里－珀罗腔的反射光，作为拉曼操作光。

本发明描述的第一种系统在较低的调制深度即可到达23.8%左右的相位调制向幅度调制转换的理论效率，这已经接近现有技术的理论最高效率24.3%，但现有技术在达到最高效率时需要达到3.05的调制深度。第二种系统在较低的调制深度/>即可到达33.9%左右的最高理论效率，已经超过现有技术的最高效率。因此本发明提供的系统能用比现有技术低的多的调制深度实现接近或超越传统方法的理论转换效率。

根据下文结合附图对本申请的具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本申请的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本申请的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

图1是根据本申请第一个实施例的量子比特操作系统架构示意图；

图2是根据本申请第一个实施例的拉曼操作光生成装置架构示意图；

图3是根据本申请第二个实施例的拉曼操作光生成装置架构示意图；以及

图4是根据本申请的产生拉曼操作光的方法流程图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本公开。

为了使本技术领域的人员更好地理解本公开方案，下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本公开保护的范围。

需要说明的是，本公开的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的术语在适当情况下可以互换，以便这里描述的本公开的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

术语解释：电光调制器（EOM）、偏振分束器（PBS）、四分之一波片（QWP）、法布里－珀罗腔（F-P cavity）、微波发生器（MW）、光电探测器（PD）、伺服系统（PID）。

本发明公开一种基于法布里－珀罗腔的反射光的方法实现相位调制向幅度调制的转换，并由此可以实现微波频段量子比特的拉曼操作，进而可用于实现微波频段量子比特的量子门操作。此方案将相位调制转为幅度调制的基本思路是利用类似于PDH锁频中法布里－珀罗腔的反射光的不同频率成分之间的拍频产生幅度调制。

图1是根据本申请第一个实施例的量子比特操作系统架构示意图。参考图1所示，一种量子比特操作系统，包括拉曼操作光生成装置100以及量子比特操作装置200，其中拉曼操作光生成装置100用于生成对量子比特300进行拉曼操作的拉曼操作光L₁，量子比特操作装置200接收拉曼操作光L₁，并利用拉曼操作光L₁对量子比特300进行拉曼操作，并且其中，量子比特操作装置200包括：第二分光镜201、第一声光调制器202a、第一寻址系统203a、第二声光调制器202b以及第二寻址系统203b，其中，第二分光镜201用于将拉曼操作光L₁分为第一拉曼操作光L₁₁和第二拉曼操作光L₁₂；第一声光调制器202a用于对第一拉曼操作光L₁₁进行调制；第一寻址系统203a用于从第一声光调制器202a接收调制后的第一拉曼操作光，并将调制后的第一拉曼操作光引导至目标量子比特；第二声光调制器202b用于对第二拉曼操作光L₁₂进行调制；以及第二寻址系统203b用于从第二声光调制器202b接收调制后的第二拉曼操作光，并将调制后的第二拉曼操作光引导至目标量子比特。

图1中，通过分光镜，将所获拉曼操作光分成两束，一束经过第一声光调制器（AOM1），一束经过第二声光调制器（AOM2）。经过第一声光调制器的光经过第一寻址系统（ADS1）后打到目标量子比特上。经过第二声光调制器的光经过第二寻址系统（ADS2）后打到目标量子比特上。当进行单量子比特门操作时一般只需要单边光束，因此考虑打开第一声光调制器，关闭第二声光调制器，利用第一声光调制器和第一寻址系统操作单量子比特门。当进行双量子比特门操作时一般需要双边光束，因此考虑打开所有元件进行操作。

图2是根据本申请第一个实施例的拉曼操作光生成装置架构示意图。图3是根据本申请第二个实施例的拉曼操作光生成装置架构示意图。参考图2和图3所示，拉曼操作光生成装置100包括激光发射器101、电光调制器102、法布里－珀罗腔105、微波发生器107以及光引导组件130。其中微波发生器107连接电光调制器102的驱动端，并向电光调制器102发送调制信号。其中调制信号的调制频率为量子比特频率的1/n，n为大于等于1的自然数；电光调制器102基于调制信号对激光发射器101发射的激光L₂进行调制并生成相应的调制光L₃；光引导组件130将调制光L₃引导至法布里－珀罗腔105，并将法布里－珀罗腔105的反射光L₁作为拉曼操作光引导至量子比特操作装置200。

可选地，光引导组件130包括偏振分束器103和四分之一波片104，其中偏振分束器103和四分之一波片104依序设置于电光调制器102和法布里－珀罗腔105之间，以及偏振分束器103将调制光L₃透射至法布里－珀罗腔105，并通过反射将法布里－珀罗腔105的反射光L₁导向量子比特操作装置200。光引导组件130还包括反光镜110，反光镜110用于将偏振分束器103反射的反射光L₁导向量子比特操作装置200。

可选地，还包括：压电驱动器106，设置于法布里－珀罗腔105，用于调节法布里－珀罗腔105的腔长；光电探测器109，用于检测法布里－珀罗腔105的输出光L₁,L₄；以及伺服系统140，与光电探测器109和压电驱动器106连接，用于基于光电探测器109输出的光检测信号控制压电驱动器106。

参考图2所示，在本申请第一个实施例的拉曼操作光生成装置中，还包括第一分光镜111，第一分光镜111设置于反射光L₁的光路，用于将部分反射光L₁引导至光电探测器109，并且光电探测器109用于生成与部分反射光L₁对应的光检测信号，并且伺服系统140包括：移相器112、混频器113以及伺服设备108。其中，移相器112与微波发生器107连接，用于对微波发生器107生成的调制信号进行移相；混频器113与移相器112、光电探测器109以及伺服设备108连接，用于根据移相后的调制信号以及光检测信号生成误差信号，并将误差信号发送至伺服设备108；以及伺服设备108与混频器113和压电驱动器106连接，用于根据误差信号控制压电驱动器106。

可选地，伺服设备108为PID控制器。

本实施例中，激光（laser）出射后经过电光调制器（EOM）做相位调制，优选地，调制频率ω_m选在ω_q/2附近（ω_q为量子比特频率）。将做相位调制后的激光经过偏振分束器（PBS）和四分之一波片（QWP）后耦合进法布里－珀罗腔（F-P cavity），并且为了保证激光原始频率和法布里－珀罗腔的腔模共振，需要通过PDH锁频方法或者其它方法把腔长锁定在激光原始频率上。

具体操作步骤为：通过半透半反射镜将一部分（功率在10微瓦量级）从偏振分束器103反射的激光进一步反射至光电探测器（PD），从而产生光检测信号。将用于对激光进行相位调制的调制信号输入至移相器（shifter）进行移相。将光检测信号和经过移相的调制信号混合产生误差信号。将误差信号馈入伺服设备（PID）后，将伺服设备根据误差信号生成的控制信号反馈给法布里－珀罗腔105的压电驱动器106即可锁住腔长。并且，偏振分束器103反射的激光可作为拉曼操作光，用于拉曼操作。

为了达到最大的相位调制向幅度调制转换的效率，优选地，电光调制器102调制深度为，此时理论转换效率为34.3%。鉴于/>过高，选/>即可到达23.8%左右的理论效率。

如图3所示，在本申请第二个实施例的拉曼操作光生成装置中，光电探测器109设置于法布里－珀罗腔105的透射光输出端，用于生成与法布里－珀罗腔105的透射光L₄对应的光检测信号。并且，伺服系统140包括伺服设备108。伺服设备108与光电探测器109和压电驱动器106连接，用于根据光检测信号控制压电驱动器106。

可选地，伺服设备108为PID控制器。

本实施例中，激光出射后经过电光调制器102做相位调制，优选的调制频率ω_m选在ω_q附近（ω_q为量子比特频率）。将做相位调制后的激光经过偏振分束器103和四分之一波片104后耦合法布里－珀罗腔105。为了保证激光原始频率和腔模不共振，且和腔共振峰的差值，/>表示腔共振峰的半高全宽，需要将腔长锁定在激光原始频率上，则腔的反射光可用于量子比特的拉曼操作。为了使激光原始频率与法布里－珀罗腔105不共振但腔长锁定在激光频率上，需要通过锁定腔透射峰腰的方法或其他方法将腔长锁定在激光频率上。

具体操作步骤为：将法布里－珀罗腔105的透射光通过压电驱动器106取一小部分（功率在10微瓦量级）进入光电探测器109，然后将光电探测器109后的误差信号馈入伺服系统140，最后将伺服系统140出来的信号反馈给法布里－珀罗腔105的压电驱动器106即可锁住腔长。

为了达到最大的相位调制向幅度调制转换的效率，优选的电光调制器102的调制深度为β=1.08，优选的，也即需要将腔锁在透射峰半高的位置，此时理论转换效率为33.9%。

以上两种拉曼操作光生成装置的最高理论转换效率均高于传统方法的最高效率（24.3%）。并且第一种拉曼操作光生成装置在较低的调制深度即可到达23.8%左右的理论效率，已经接近传统方法的最高效率。第二种拉曼操作光生成装置在较低的调制深度/>即可到达33.9%左右的最高理论效率，已经超过传统方法的最高效率。

如图4所示，是根据本申请的产生拉曼操作光的方法流程图。参考图4所示，一种产生拉曼操作光的方法，包括：通过微波发生器107向电光调制器102发送调制信号，其中调制信号的调制频率为量子比特频率的1/n，n为大于等于1的自然数（S402）；将激光发射器101发射的激光L₂射向电光调制器102，通过电光调制器102对激光L₂进行相位调制生成相应的调制光L₃（S404）；将调制光L₃射入法布里－珀罗腔105（S406）；以及获取法布里－珀罗腔105的反射光，作为拉曼操作光L₁（S408）。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本公开的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位（旋转90度或处于其他方位），并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

在本公开的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，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，可轻易想到的变化或替换，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该以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种量子比特操作系统，其特征在于，包括拉曼操作光生成装置（100）以及量子比特操作装置（200），其中所述拉曼操作光生成装置（100）用于生成对量子比特（300）进行拉曼操作的拉曼操作光（L₁），所述量子比特操作装置（200）接收所述拉曼操作光（L₁），并利用所述拉曼操作光（L₁）对量子比特（300）进行拉曼操作，并且其中，

所述拉曼操作光生成装置（100）包括激光发射器（101）、电光调制器（102）、法布里－珀罗腔（105）、微波发生器（107）以及光引导组件（130），其中，

所述微波发生器（107）连接所述电光调制器（102）的驱动端，并向所述电光调制器（102）发送调制信号，其中所述调制信号的调制频率为量子比特频率的1/n，n为大于等于1的自然数；

所述电光调制器（102）基于所述调制信号对所述激光发射器（101）发射的激光（L₂）进行调制并生成相应的调制光（L₃）；

所述光引导组件（130）将所述调制光（L₃）引导至所述法布里－珀罗腔（105），并将所述法布里－珀罗腔（105）的反射光作为所述拉曼操作光（L₁）引导至所述量子比特操作装置（200），并且其中

所述光引导组件（130）包括偏振分束器（103）和四分之一波片（104），其中

所述偏振分束器（103）和所述四分之一波片（104）依序设置于所述电光调制器（102）和所述法布里－珀罗腔（105）之间，以及

所述偏振分束器（103）将所述调制光（L₃）透射至所述法布里－珀罗腔（105），并通过反射将所述法布里－珀罗腔（105）的反射光导向所述量子比特操作装置（200）。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光引导组件（130）还包括反光镜（110），所述反光镜（110）用于将所述偏振分束器（103）反射的所述反射光导向所述量子比特操作装置（200）。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：

压电驱动器（106），设置于所述法布里－珀罗腔（105），用于调节所述法布里－珀罗腔（105）的腔长；

光电探测器（109），用于检测所述法布里－珀罗腔（105）的输出光；以及

伺服系统（140），与所述光电探测器（109）和所述压电驱动器（106）连接，用于基于所述光电探测器（109）输出的光检测信号控制所述压电驱动器（106）。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，还包括第一分光镜（111），所述第一分光镜（111）设置于所述反射光的光路，用于将部分反射光引导至所述光电探测器（109），并且所述光电探测器（109）用于生成与所述部分反射光对应的所述光检测信号，并且

所述伺服系统（140）包括：移相器（112）、混频器（113）以及伺服设备（108），其中，

所述移相器（112）与所述微波发生器（107）连接，用于对所述微波发生器（107）生成的所述调制信号进行移相；

所述混频器（113）与所述移相器（112）、所述光电探测器（109）以及所述伺服设备（108）连接，用于根据移相后的调制信号以及所述光检测信号生成误差信号，并将所述误差信号发送至所述伺服设备（108）；以及

所述伺服设备（108）与所述混频器（113）和所述压电驱动器（106）连接，用于根据所述误差信号控制所述压电驱动器（106）。

5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述光电探测器（109）设置于所述法布里－珀罗腔（105）的透射光输出端，用于生成与所述法布里－珀罗腔（105）的透射光（L₄）对应的所述光检测信号，并且，

所述伺服系统（140）包括伺服设备（108），所述伺服设备（108）与所述光电探测器（109）和所述压电驱动器（106）连接，用于根据所述光检测信号控制所述压电驱动器（106）。

6.根据权利要求4或5所述的系统，其特征在于，所述伺服设备（108）为PID控制器。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述量子比特操作装置（200）包括：第二分光镜（201）、第一声光调制器（202a）、第一寻址系统（203a）、第二声光调制器（202b）以及第二寻址系统（203b），其中，

所述第二分光镜（201）用于将所述拉曼操作光（L₁）分为第一拉曼操作光（L₁₁）和第二拉曼操作光（L₁₂）；

所述第一声光调制器（202a）用于对所述第一拉曼操作光（L₁₁）进行调制；

所述第一寻址系统（203a）用于从所述第一声光调制器（202a）接收调制后的第一拉曼操作光，并将调制后的第一拉曼操作光引导至目标量子比特；

所述第二声光调制器（202b）用于对所述第二拉曼操作光（L₁₂）进行调制；以及

所述第二寻址系统（203b）用于从所述第二声光调制器（202b）接收调制后的第二拉曼操作光，并将调制后的第二拉曼操作光引导至目标量子比特。

8.一种拉曼操作光生成装置（100），用于生成对量子比特（300）进行拉曼操作的拉曼操作光（L₁），其特征在于，包括激光发射器（101）、电光调制器（102）、法布里－珀罗腔（105）、微波发生器（107）以及光引导组件（130），其中，

所述光引导组件（130）将所述调制光（L₃）引导至所述法布里－珀罗腔（105），并将所述法布里－珀罗腔（105）的反射光作为所述拉曼操作光（L₁），并且其中

所述偏振分束器（103）将所述调制光（L₃）透射至所述法布里－珀罗腔（105），并通过反射将所述法布里－珀罗腔（105）的反射光导向量子比特操作装置（200）。

9.一种产生拉曼操作光的方法，使用权利要求8所述的拉曼操作光生成装置（100），其特征在于，包括：

通过微波发生器（107）向电光调制器（102）发送调制信号，其中所述调制信号的调制频率为量子比特频率的1/n，n为大于等于1的自然数；

将激光发射器（101）发射的激光（L₂）射向所述电光调制器（102），通过所述电光调制器（102）对所述激光（L₂）进行相位调制生成相应的调制光（L₃）；

将所述调制光（L₃）射入法布里－珀罗腔（105）；以及

获取所述法布里－珀罗腔（105）的反射光，作为拉曼操作光（L₁）。