CN116757289A - 一种时分复用的操控方法及操作装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种时分复用的操控方法及操作装置，涉及量子技术领域，操作装置包括：光调制模块，用于将种子光调制产生所需强度、频率、相位和数量的边带，并实现边带的时序控制；频率转换模块，用于将调制后的具有边带的种子激光转换为所需的频率；激光分离模块，用于将频率转换模块中的不同频率的激光分离；操作模块，用于将分离后的操作激光对准到离子或原子上，并对操作激光的强度、频率、相位、空间位置进行时序控制，以实现离子或原子量子比特的操作；操控方法通过改变调制频率可以利用同一束激光实现多种离子或原子量子比特的操作，按照特定的时序进行控制，能够实现时分复用的离子或原子量子比特操作流程。

Description

一种时分复用的操控方法及操作装置

技术领域

本发明涉及量子技术领域，具体涉及一种时分复用的操控方法及操作装置。

背景技术

量子计算机是一种利用使用量子比特和量子门实现通用计算的设备，与普通计算机相比，量子计算机利用量子力学的效应，比如量子态叠加、量子纠缠、量子并行等，能够在处理某些特定问题时能够大幅提高运行速度。因此，量子计算机在人工智能、化学材料、金融分析、通信安全等方面具有潜在的应用前景，受到了广泛的关注。

在目前的研究中，中性原子、离子、超导约瑟夫森结、光子、半导体量子点等都可以被用作量子比特，但其中原子量子比特具有相干时间长、门操作保真度高、态制备和读取更直接、具有全局相互作用等优势，基于离子阱的量子计算机是发展最快的量子计算体系之一。

以囚禁离子量子系统为例，在基于原子量子比特的量子计算机中通常使用激光作为操作量子比特的方法，囚禁原子量子比特的操作主要是通过激光和微波实现的,例如离子的冷却，态初始化，受激拉曼跃迁操作，荧光探测等都是由激光实现，通过声光调制器（AOM）实现激光的开关和移频，使用电光调制器（EOM）产生多种频率成分；离子阱系统中通常选择铍、钙、镱等最外层两个电子的元素，这样在电离失去一个电子后最外层只有一个电子，能级结构相对简单，但通常需要蓝紫甚至紫外波段激光进行离子操作。

可参阅说明书附图3，以171Yb+为例，能级如图所示，离子冷却需要369.5nm激光利用电光调制器产生14.7GHz的边带，且红失谐10MHz，态初始化需要369.5nm激光外加2.1GHz边带，态探测需要纯的369.5nm激光。现有的设计中，通常需要从激光器中分出三束369.5nm激光，分别使用2.1G和7.37G（或14.7G）的空间EOM进行调制得到冷却光和初始化光，使用三个AOM实现开关，最后将三束光合束引入离子阱装置中，由于上述情况，在如今大多数的离子阱装置上需要复杂的光路设计和昂贵的紫外光学器件实现上述操作。

发明内容

本发明的目的在于提供一种时分复用的操控方法及操作装置，解决以下现有技术问题：

1）需要使用多个声光调制器、电光调制器，且多数情况下需要蓝紫光甚至紫外光波段，系统成本高；

2）为了重复利用通光窗口，需要激光合束，在合束和光纤耦合过程中损失光强，激光利用率低；

3）整体光路复杂，稳定性降低，维护难度增大。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种时分复用的操作装置，包括：

光调制模块，所述光调制模块用于将种子光调制产生至少一个所需边带的激光，并实现激光边带的时序控制；

频率转换模块，所述频率转换模块用于将调制后的具有边带的种子激光频率转换为至少一个所需频率的其他波段的激光；

激光分离模块，所述激光分离模块用于将频率转换模块中的不同频率的激光分离；

操作模块，所述操作模块用于对分离出的所需激光进行控制，并实现操作激光的时序、空间分布的控制，用于操作离子或原子量子比特。

优选的，所述光调制模块包括光调制器件，所述光调制器件用于将种子激光调制出至少一个所需边带。

优选的，所述光调制模块还包括射频驱动单元，所述射频驱动单元用于为光调制器件提供不同强度、频率、相位的射频驱动信号的快速切换，实现激光边带的时序控制。

优选的，所述频率转换模块包括激光放大器和频率转换晶体，所述激光放大器用于将调制后的种子光放大到激光频率转换所需的光强。

优选的，所述频率转换模块还包括至少一个频率转换晶体，所述频率转换晶体用于实现种子光频率到所需频率的其他波段的激光的转换，所述其他波段的激光包括红外光、近红外光、可见光、近紫外光、紫外激光或极紫外光及其组合。

优选的，所述激光分离模块包括但不限于多种二向色镜和滤光片、光栅、棱镜及其组合组成的分光光路，以用于分离频率转换产生的不同波段的激光。

优选的，操作模块包括射频控制单元，所述射频控制单元用于操作激光的时序控制。

优选的，操作模块包括操作光路，所述操作光路使用光调制器件实现对操作激光的频率、相位、幅度、时序的快速控制，并使用物镜用于将所需激光对准并聚焦到离子或原子上，实现对量子比特的操作；

所述光调制器件包括电光调制器、声光调制器、声光偏转器、空间光调制器、微镜阵列及其组合；

所述操作包括激光冷却、量子态初始化、量子态转移、量子态受激拉曼跃迁操作或态探测及其组合。

优选的，还包括种子激光源，所述种子激光源用于发射种子光，经调制后，作为激光放大和频率转换的初始激励；

所述种子激光源还用于频率稳定。

一种时分复用的操作装置的操控方法，包括如下步骤：

将种子光调节、稳定到所需功率、频率；

通过光调制模块调制种子光产生包含至少一个所需边带的激光，通过设定的操控时序切换射频驱动单元的射频频率、幅度、相位以及数量，射频驱动单元将射频信号施加到光调制器件实现种子光的边带的频率、幅度、相位以及数量的调制切换，实现激光边带的时序控制；

将调制后的具有边带的种子激光放大后，经过频率转换模块转换为至少一个所需的激光频率，转换后的激光带有所需边带；

使用激光分离模块将频率转换模块产生的不同波段的激光分离成不同操作光路；

使用操作模块中的射频控制单元控制光调制器件对分离出的操作激光进行时序控制和切换，改变其频率、幅度和相位，该操作激光通过操作光路对准到不同离子或原子上，并用于离子或原子量子比特的操作。

本发明的有益效果：

本发明通过射频驱动单元控制种子光的边带频率、幅度、相位和时序，经过频率变换后得到的其他波段的操作激光也具有所需的边带，将分离后的操作激光对准到离子或原子上，经过对操作激光的进一步时序控制，可以利用同一个激光器实现多种离子操作，按照设定的时序进行控制，能够实现时分复用的离子或原子量子比特操作能力；

本发明可以对种子激光实现简易、宽带、高速、多频率的调制，通过频率变换过程可以产生具有宽带可调谐边带的可见光、蓝紫近紫外光、紫外激光及其组合，实现一个激光器满足多种离子或原子的分时复用的激光操作。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1是本发明一种时分复用的操作装置的结构示意图；

图2是本发明一种时分复用的量子态操作方法的结构示意图；

图3是本发明一种时分复用的操作装置中171Yb+的能级图；

图4是本发明一种时分复用的操作装置中光路示例图；

图5是本发明一种时分复用的操作装置中EOM射频驱动组成示例图；

图6是本发明一种时分复用的操作装置中射频控制单元结构示例图；

图7是本发明一种时分复用的操作装置中时序流程图。

图中：100、光调制模块；200、频率转换模块；300、激光分离模块；400、操作模块；500、离子或原子量子比特；101、种子激光源；102、光调制器件；103、射频驱动单元；201、激光放大器；202、频率转换晶体；203、温控装置；301、二向色镜；302、滤光片；401、射频控制单元；402、操作光路。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

请参阅图1，一种时分复用的操作装置，包括：

光调制模块100，光调制模块100用于将种子光调制产生至少一个所需边带的激光，并实现激光边带的时序控制，该种子激光可以分出一路未经调制的激光用于频率稳定；

具体的，在本实施方式中，光调制模块100包括光调制器件102，光调制器件102用于将种子激光调制出至少一个所需边带；本实施方式中的光调制器件102采用电光调制器EOM；

需要说明的是，本实施例中的电光调制器EOM调整边带范围大于1kHz且小于100GHz；具体调制频率取决于射频驱动的信号频率；

此外，边带的强度和频率可以受到外部信号控制进行切换；

还包括射频驱动单元103，射频驱动单元103用于为光调制器件102提供不同强度、频率、相位的射频驱动信号的快速切换，实现激光边带的时序控制；射频驱动单元103的作用对象可以是电光调制器或声光调制器；

需要说明的是，射频驱动单元103用于提供所需的射频驱动信号，幅度、相位和频率可以调节；其还可以由外部信号控制切换不同频率、相位和幅度；

频率转换模块200，频率转换模块200用于将调制后的具有边带的种子激光频率转换为至少一个所需频率的其他波段的激光；

具体的，在本实施例中，频率转换模块200包括激光放大器201，激光放大器201用于将调制后的种子光放大到激光频率转换所需的光强；

还包括至少一个频率转换晶体202，频率转换晶体202用于实现种子光频率到所需频率的其他波段的激光的转换，其他波段的激光包括但不限于红外光、近红外光、可见光、近紫外光、紫外激光或极紫外光及其组合；

需要说明的是，频率转换模块200包括但不限于和频、二倍频、三倍频、四倍频、高阶倍频、以及差频等任何实现光学频率转换的过程；

还包括温控装置203，温控装置203用于对频率转换晶体202温度进行调节以获得最大效率；

激光分离模块300，激光分离模块300用于将频率转换模块200中的不同频率的激光分离；

具体的，在本实施例中，激光分离模块300包括但不限于多种二向色镜301和滤光片302、光栅、棱镜以及其组合组成的分光光路，以用于分离频率转换产生的不同波段的激光；

可以举例说明的是，种子光用于激光频率稳定，三倍频或四倍频激光用于离子或原子量子比特500的冷却、初始化、态探测；二倍频可以用来实现量子比特的拉曼操作；

操作模块400，操作模块400用于对分离出的所需激光进行控制，并实现操作激光的时序、空间分布的控制，用于操作离子或原子量子比特500；

具体的，在本实施例中，操作模块400包括射频控制单元401，射频控制单元401用于操作激光的控制，包括开关、频率以及强度控制；射频控制单元401为AOM射频单元；

可以说明的是，射频控制单元401用于提供多组不同配置（频率和强度）的射频信号；其不同配置可以由外部触发信号控制切换，切换时间固定且小于1微秒；

操作模块400还包括操作光路402，操作光路402使用光调制器件实现对操作激光的频率、相位、幅度、时序的快速控制，并使用物镜用于将所需激光对准并聚焦到离子或原子上，实现对量子比特的操作；

光调制器件包括电光调制器、声光调制器、声光偏转器、空间光调制器、微镜阵列及其组合；

操作包括激光冷却、量子态初始化、量子态转移、量子态受激拉曼跃迁操作或态探测及其组合；

具体的，操作光路402包括但不仅限于本实施方式中的声光调制器AOM、声光偏转器AOD、空间光调制器SLM以及数字微镜阵列DMD等；

还包括种子激光源101，用于发射种子光，经调制后，作为激光放大和频率转换的初始激励；种子激光源101也可用于频率稳定；种子激光源101为光纤激光器，光纤激光器用于发射红外种子光，也可用于频率稳定。

实施例2

请参阅图2所示，本发明为一种时分复用的操作装置的操控方法，包括如下步骤：

S100、将种子光调节、稳定到所需功率、频率；

S200、通过光调制模块100调制种子光产生包含至少一个所需边带的激光，通过设定的操控时序切换射频驱动单元103的射频频率、幅度、相位以及数量，射频驱动单元103将射频信号施加到光调制器件102实现种子光的边带的频率、幅度、相位以及数量的调制切换，实现激光边带的时序控制；

S300、将调制后的具有边带的种子激光放大后，经过频率转换模块200转换为至少一个所需的激光频率，转换后的激光带有所需边带；

S400、使用激光分离模块300将频率转换模块产生的不同波段的激光分离成不同操作光路402；

S500、使用操作模块400中的射频控制单元401控制光调制器件对分离出的操作激光进行时序控制和切换，改变其频率、幅度和相位，该操作激光通过操作光路402对准到不同离子或原子上，并用于离子或原子量子比特500的操作。

实施例3

请参阅图3-图7，一种时分复用的操作装置的操控方法，包括如下步骤：

红外种子光由一个1108nm的光纤激光器产生，经过20G带宽的光纤EOM进行调制；

具体的，在本实施方式中，射频驱动单元103能够提供14.7G、12.6G、2.1G不同强度的射频驱动信号的快速切换；

采用激光放大器201和频率转换晶体202对红外光进行放大、倍频，得到二倍频554nm激光；

具体的，在本实施方式中，EOM调制频率为12.6G情况下，二倍频光用于实现拉曼操作；

二倍频554nm激光和调制的1108nm激光和频后得到369.5nm激光；

具体的，在本实施方式中，当EOM调制频率为14.7G时实现离子冷却；当EOM调制频率为2.1G时实现态初始化；当没有调制信号时实现态探测。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”“相连”“连接”等应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (10)

1.一种时分复用的操作装置，其特征在于，包括：

光调制模块（100），所述光调制模块（100）用于将种子光调制产生至少一个所需边带的激光，并实现激光边带的时序控制；

频率转换模块（200），所述频率转换模块（200）用于将调制后的具有边带的种子激光频率转换为至少一个所需频率的其他波段的激光；

激光分离模块（300），所述激光分离模块（300）用于将频率转换模块中的不同频率的激光分离；

操作模块（400），所述操作模块（400）用于对分离出的所需激光进行控制，并实现操作激光的时序、空间分布的控制，用于操作离子或原子量子比特（500）。

2.根据权利要求1所述的一种时分复用的操作装置,其特征在于，所述光调制模块（100）包括光调制器件（102），所述光调制器件（102）用于将种子激光调制出至少一个所需边带。

3.根据权利要求2所述的一种时分复用的操作装置,其特征在于，所述光调制模块（100）还包括射频驱动单元（103），所述射频驱动单元（103）用于为光调制器件（102）提供不同强度、频率、相位的射频驱动信号的快速切换，实现激光边带的时序控制。

4.根据权利要求1所述的一种时分复用的操作装置,其特征在于，所述频率转换模块（200）包括激光放大器（201）和频率转换晶体（202），所述激光放大器（201）用于将调制后的种子光放大到激光频率转换所需的光强。

5.根据权利要求4所述的一种时分复用的操作装置,其特征在于，所述频率转换模块（200）还包括至少一个频率转换晶体（202），各所述频率转换晶体（202）用于实现种子光频率到所需频率的其他波段的激光的转换，所述其他波段的激光包括红外光、近红外光、可见光、近紫外光、紫外激光或极紫外光及其组合。

6.根据权利要求5所述的一种时分复用的操作装置,其特征在于，所述激光分离模块（300）包括多种二向色镜（301）和滤光片（302）、光栅、棱镜及其组合组成的分光光路，以用于分离频率转换产生的不同波段的激光。

7.根据权利要求6所述的一种时分复用的操作装置,其特征在于，操作模块（400）包括射频控制单元（401），所述射频控制单元（401）用于操作激光的时序控制。

8.根据权利要求7所述的一种时分复用的操作装置,其特征在于，操作模块（400）包括操作光路（402），所述操作光路（402）使用光调制器件实现对操作激光的频率、相位、幅度、时序的快速控制，并使用物镜用于将所需激光对准并聚焦到离子或原子上，实现对量子比特的操作；

所述光调制器件包括电光调制器、声光调制器、声光偏转器、空间光调制器、微镜阵列及其组合；

所述操作包括激光冷却、量子态初始化、量子态转移、量子态受激拉曼跃迁操作或态探测及其组合。

9.根据权利要求1所述的一种时分复用的操作装置,其特征在于，还包括种子激光源（101），所述种子激光源（101）用于发射种子光，经调制后，作为激光放大和频率转换的初始激励；

所述种子激光源（101）还用于频率稳定。

10.一种如权利要求1所述的时分复用的操作装置的操控方法，其特征在于，包括如下步骤：

将种子光调节、稳定到所需功率、频率；

通过光调制模块（100）调制种子光产生包含至少一个所需边带的激光，通过设定的操控时序切换射频驱动单元（103）的射频频率、幅度、相位以及数量，射频驱动单元（103）将射频信号施加到光调制器件（102）实现种子光的边带的频率、幅度、相位以及数量的调制切换，实现激光边带的时序控制；

将调制后的具有边带的种子激光放大后，经过频率转换模块（200）转换为至少一个所需的激光频率，转换后的激光带有所需边带；

使用激光分离模块（300）将频率转换模块（200）产生的不同波段的激光分离成不同操作光路（402）；

使用操作模块（400）中的射频控制单元（401）控制光调制器件对分离出的操作激光进行时序控制和切换，改变其频率、幅度和相位，该操作激光通过操作光路（402）对准到不同离子或原子上，并用于离子或原子量子比特（500）的操作。