CN116894493A - 用于量子计算的多维电极控制器 - Google Patents

Abstract

一种用于多维离子穿梭的方法和装置，该装置包括具有第一通道元件的第一穿梭通道、具有第二通道元件的第二穿梭通道、沿着第一移动通道的第一电极元件、沿着第二移动通道的第二电极元件、连接到第一电极元件和第二电极元件中的每一个的电极控制电路、以及连接到第一电极元件和第二电极元件中的每一个的电压控制电路，其中，第二穿梭通道与第一穿梭通道相交。电压控制电路根据来自电极控制电路的信令而选择性地将至少一个电压提供至第一电极元件和第二电极元件中的一个或多个电极元件，并且该至少一个电压控制离子沿着第一穿梭通道或第二穿梭通道中的至少一个的移动。

Description

用于量子计算的多维电极控制器

技术领域

本发明一般涉及用于在俘获离子量子计算(TIQC)系统中移动离子的系统和方法，并且在特定实施例中，涉及用于提供离子的多维路由和移动的系统和方法。

背景技术

通常，俘获离子量子计算使用离子作为用于计算的量子位，其中，电子的激发状态指示逻辑值或逻辑状态。例如钡(Ba)、镁(Mg)、钙(Ca)、铍(Be)等之类的离子可以带正电，并且离子的外电子层中的单个电子被用作逻辑元件。两个或更多个离子可以被纠缠，因为改变一个量子位的状态会使这些纠缠的量子位立即改变它们的状态，从而提供了优于常规计算的实质性速度和功率节省。

然而，量子计算需要良好控制的环境和离子的精确处理。通常，使用在大约20伏和20兆赫(MHz)下工作的射频(RF)场来俘获或控制TIQC系统中的离子。另外，离子一旦被纠缠，就具有有限的持续时间，在该持续时间内它们将保持纠缠，从而需要快速处理。离子通常还需要低温条件以实现量子计算的最大益处。因此，例如，虽然光量子计算是在室温下工作的，但是低温俘获离子量子计算是在保持于大约4至10开尔文之间的密封低温室中进行的。

发明内容

用于多维离子穿梭(shuttling)的实施例装置包括具有第一通道元件的第一穿梭通道、具有第二通道元件的第二穿梭通道、沿着第一移动通道定位的第一电极元件、沿着第二移动通道定位的第二电极元件、连接到第一电极元件和第二电极元件中的每个电极元件的电极控制电路、以及连接到第一电极元件和第二电极元件中的每个电极元件的电压控制电路，其中，第二穿梭通道在交叉点处与第一穿梭通道相交。电压控制电路被配置成根据来自电极控制电路的信令选择性地将至少一个电压提供至第一电极元件和第二电极元件中的一个或多个电极元件，并且至少一个电压控制离子沿着第一穿梭通道或第二穿梭通道中的至少一个的移动。

实施例多维离子穿梭装置包括沿着第一穿梭通道定位的电极元件、连接到电极元件中的每一个的电极控制电路、以及连接到电极元件中的每一个的电压控制电路，其中，电极控制电路被配置成向电极元件的第一组电极元件提供激活的第一电极选择信号，该第一组电极元件至少包括穿梭电极组的穿梭电极元件，并且其中，电极控制电路被配置成向每个第一穿梭电极元件提供激活的第一穿梭使能信号，其中，电压控制电路被配置成向穿梭电极组的穿梭电极元件提供穿梭电压分布的一个或多个穿梭电压。电极元件被配置成响应于在相应电极元件处接收的第一电极选择信号和第一穿梭使能信号两者被激活而在相应电极元件的电极上施加相应的接收的穿梭电压。

用于俘获离子量子计算系统的实施例离子穿梭方法包括：将离子穿梭系统的多个电极元件的第一电极元件识别为穿梭电极组的第一穿梭电极元件，其中，第一电极元件位于沿着第一穿梭通道的第一位置；确定穿梭电压分布的一个或多个穿梭电压；将一个或多个穿梭电压提供给穿梭电极组的第一穿梭电极元件；将第一激活电极选择信号提供给至少包括第一穿梭电极元件的第一组电极元件；将第一激活穿梭使能信号提供给每个第一穿梭电极元件；响应于第一电极选择信号和第一穿梭使能信号两者针对相应第一穿梭电极元件激活，在每个第一穿梭电极元件处产生用于相应第一穿梭电极元件的选择电压，其中，选择电压是提供给第一相应穿梭电极元件并且由相应第一穿梭电极元件设置的穿梭电压；以及通过产生电场(E场)沿着第一穿梭通道穿梭离子，其中，电场是通过将每个第一穿梭电极元件的选择电压施加到相应第一穿梭元件的电极而产生的。

在一些实施例中，该方法还包括将多个电极元件的第二电极元件识别为穿梭电极组的第二穿梭电极元件，其中，第二穿梭电极元件位于沿着第二穿梭通道的第二位置，所述第二穿梭通道在交叉点处与第一穿梭通道相交；将一个或多个穿梭电压提供到第二穿梭电极元件；将第二激活电极选择信号提供到至少包括第一穿梭电极元件的第二组电极元件；将第二激活穿梭使能信号提供到每个第二穿梭电极元件；响应于第二电极选择信号和第二穿梭使能信号两者针对相应第二穿梭电极元件激活，在每个第二穿梭电极元件处产生用于相应第二穿梭电极元件的选择电压，其中，选择电压是提供到相应第二穿梭电极元件并且由相应第二穿梭电极元件设置的穿梭电压；以及通过产生电场沿着第二穿梭通道穿梭离子，其中，电场是通过将每个第二穿梭电极元件的选择电压施加到相应第二穿梭元件的电极而产生的。

附图说明

为了更全面地理解本发明及其优点，现在参考结合附图进行的以下描述，其中：

图1是示出根据一些实施例的具有穿梭系统的俘获离子量子计算(TIQC)系统的逻辑图；

图2是示出根据一些实施例的离子穿梭系统的图；

图3A是示出根据一些实施例的离子穿梭控制系统的图；

图3B是根据一些实施例的用于离子穿梭控制系统的模拟复用器；

图4A-4C示出根据一些实施例的电压向离子穿梭系统的施加；

图5A-5C示出根据一些实施例的使用穿梭电压来提供离子穿梭的系统；

图6A-6F示出根据一些实施例的在多维系统中使用穿梭电压来提供离子穿梭；

图7A-7B示出根据一些实施例的电极电压控制设备；

图7C示出根据一些实施例的与电极电压控制设备相关联的控制和输出电压；以及

图8是示出根据一些实施例的用于提供离子穿梭的方法的流程图。

具体实施方式

下面描述本公开的系统和方法的说明性实施例。为了清楚起见，在本说明书中可能没有描述实际实现的所有特征。当然，应当理解，在任何这种实际实施例的开发中，可以做出许多实现特定的决定以实现开发者的特定目标，例如符合系统相关和商业相关的约束，这将因实现而变化。此外，应当理解，这种开发努力可能是复杂且耗时的，但是对于受益于本公开的本领域普通技术人员而言，这不过是常规任务。

在此可以参考各种组件之间的空间关系以及如附图中描绘的作为设备的组件的各个方面的空间取向。然而，如本领域技术人员在完全阅读了本公开之后应当认识到的，本文描述的设备、构件、装置等可以任何期望取向来定位。因此，使用例如“上方”、“下方”、“上”、“下”或其他类似术语来描述各种组件之间的空间关系或描述这些组件的方面的空间取向应当理解为分别描述了组件之间的相对关系或这些组件的方面的空间取向，因为本文所述的设备可沿任何期望方向取向。

在俘获离子量子计算系统中，在称为离子穿梭的过程中，使用静电势在存储和处理位置之间移动离子。为了控制这些电势，必须同时控制数百甚至数千个电极以提供期望电场(E场)。然而，电极的个别控制需要使用数模转换器(DAC)。另外，将每个DAC连接到每个电极所需的需要电连接要求将导线通过低温封闭系统的外壳。

本文所提出的原理针对提供一种用于使用有限数量的DAC进行离子穿梭的系统，所述DAC被复用到多维阵列中的大量电极。多维离子穿梭系统提供了使用相同DAC在多个不同方向上同时穿梭多个离子。因此，通过使用相同DAC来控制多个电极，从而降低了与一对一DAC到电极布置相关联的成本和功率要求。另外，离子穿梭系统的多维性质提供了离子穿梭系统中的改进的灵活性。用于控制电极的有限数量的DAC还限制了需要通过低温封闭系统外壳的电连接的数量，从而简化了TIQC系统，这通过允许信号通过有限数量的数字对的差分导线以及提供例如时钟+/-或数据+/-信号的伴随的接地和电源电压导线。

图1是示出根据一些实施例的具有离子穿梭系统的俘获离子量子计算(TIQC)系统100的逻辑图。TIQC系统100具有一个或多个离子阱区域104A-104D，其包括离子穿梭系统，并被配置成在目标区域(例如离子储蓄器106、离子纠缠区108和其他区域，例如离子处理区域(未示出)、处理区域110)之间以及离子阱区域104A-104D之间穿梭离子。TIQC系统100还可具有一个或多个穿梭控制器102A-102D，其电连接到离子阱区域104A-104D的离子穿梭系统以控制离子的移动。

虽然TIQC系统100图示为具有四个离子阱区域104A-104D和四个穿梭控制器102A-102D，其中离子阱区域104A-104D对称布置，但TIQC系统100不限于这种布置。穿梭控制器102A-102D提供电极的可寻址电压控制，因此被配置成以任何布置控制任何数量的级联离子阱区域104A-104D。另外，穿梭控制器102A-102D可以作为单一控制器而提供，其中，单个控制器控制任何数量或尺寸的离子阱区域104A-104D。离子阱区域104A-104D也可以级联，使得附加的离子阱区域104A-104D和穿梭控制器102A-102D可以连接到现有的离子阱区域104A-104D和穿梭控制器102A-102D，以扩展离子穿梭区域、受控离子的数量和离子穿梭系统100的能力。

另外，穿梭系统100可以具有射频(RF)系统(未示出)，其与穿梭电极的DC偏压分离地提供RF封闭场。RF场可以由与用于提供穿梭或窥视电压的电极分离的电极提供。在一些实施例中，RF场可以在大约20伏和20兆赫(MHz)下工作，并且DC场可以被局部地且单独地提供以使由RF场包含的离子穿梭。

图2是示出根据一些实施例的离子穿梭系统200的图。离子穿梭系统200包括穿梭控制器202，其包括第一穿梭控制器部分202A和第二穿梭控制器部分202B。第一穿梭控制器部分202A和第二穿梭控制器部分202b可以连接到一组电压电极210，其布置成二维图案，或者布置成具有一维的另一布置，或者布置成用于分层图案的三维。穿梭控制器202向电压电极210提供直流(DC)偏置电压以沿着穿梭通道204、206的穿梭元件212移动和引导离子。穿梭控制器202向每个电极210提供电压，该电压由与电极210相关联的锁存器设置。在每个电极210处使用锁存器而不是DAC允许更低的组件计数，因为DAC比锁存器需要多得多数量的组件。穿梭控制器202可以寻址包括锁存器和电极210本身的个体电极元件，并且可以提供电压信号或其他信号以设置用于特定电极210的电压，其由电极210的相关联的锁存器设置。因此，每个电极210的电压都可以单独设置，并且被保持直到重置或改变。

在一些实施例中，穿梭控制器202通过提供存储在锁存器中的穿梭使能(SHEN)信号来寻址个体电极210，并且该穿梭使能信号用于通过控制晶体管将电压施加到电极210。电极选择(ESEL)信号用于选择所寻址的行或列中的电极，并且ESEL信号激活锁存器以锁存SHEN信号。因此，特定列和行中的电极210可以具有当ESEL信号和SHEN信号两者都被激活时设置的穿梭电压，并且电极锁存器或存储元件设置了电极210处的电压。

在由通道元件212分开的一对电极210上设置DC电压在电场中产生DC偏压，其中，DC偏压可以控制离子的定位。改变电极210上的电压可以控制离子的移动，并且在电极210位于通道元件212的每一侧上的情况下，离子可以在穿梭通道204、206中沿着通道元件212移动。穿梭通道206、204可以布置成使得穿梭通道204、206交叉以形成交叉点214，从而可以将离子切换到不同的穿梭通道204、206上，用于二维移动。电极210和通道元件212可以被布置成使得在电极210之间产生自由空间，并且可以提供屏蔽元件208以将电极210和位于穿梭通道204、206中的离子从为沿着穿梭通道204、206的其他位置中的其他离子提供的电压屏蔽开。这种布置可以减少穿梭系统中的离子之间的串扰并且简化穿梭系统的生产。另外，虽然在图2中以对称图案布置了穿梭通道204、206和电极210，但是电极210和穿梭通道204、206并不限于这种布置，因为可以提供以二维的任何布置，包括其中穿梭通道204、206以非直角相交或交叉的布置。另外，穿梭通道204、206并不限于彼此交叉，因为穿梭通道204、206可以形成三向或“T”形交叉，或者可以形成转弯或角度，例如“L”形交叉。

在一些实施例中，离子穿梭系统200可以使用半导体封装或制造技术来形成，例如通过在衬底上沉积导电材料并且将电极、通道元件、屏蔽、连接器等蚀刻到表面中。另外，例如导电布线层之类的连接层可以形成为叠层或形成在系统的背面上以提供到控制元件(例如复用器、DAC等)的连接。一个或多个其他器件(例如晶体管或逻辑门)或其他电路也可以形成或位于系统衬底的表面上、衬底的背面上、布线层上等等，以允许将系统元件集成到封装或片上系统(SoC)中。另外，任何模拟或数字电路都可以与由电极和布线组成的离子阱的无源部分集成，并且集成可以在同一衬底上或使用堆叠管芯来完成。

图3A是示出根据一些实施例的离子穿梭控制系统300的图。穿梭控制系统300可以具有数据处理元件310，其从控制器302接收数据，并且向电压控件350提供电压信号320或数据值，以及向电极控件330提供寻址信号或值。电压控件350从数据值产生电压，其中电压被施加到电极元件362以在电极处产生电场。电极控件330向电极元件362提供信号以激活特定电极元件，从而加载或设置由电压控件350提供的电压。

在一些实施例中，数据处理元件310具有数字控制接口312。数字控制接口312可以是例如使用2线系统或者使用另一通信系统或协议接收数据的低电压串行接收器。数字控制接口312可以从控制器302接收串行通信，其指示了离子控制信息，例如离子在离子阱内的位置、一个或多个电极的一个或多个电压或电压分布、指示离子移动路径的数据等。因此，控制器302可以确定穿梭电极组位于何处，并且可以识别或提供用于识别穿梭电极组或穿梭电极或电极元件的信息。另外，控制器302可以提供用于穿梭电压等的信息，使得系统可以确定用于控制离子移动的穿梭电压。

数字控制接口312可以具有串行接口，以减少例如针对并行接口或其他接口类型将需要的电连接的数量。然而，在连接的数量不是重要因素的情况下，数字控制接口312可以是任何其他类型的通信接口，例如并行接口、无线接口、USB接口、或其他通信接口或连接。

在一些实施例中，数据处理元件310还具有解串器314，其将数据从串行格式转换成例如数字格式的另一格式。解串器314与串行数字控制通信接口协同工作，并且可以是不同类型的数据转换器，或者如果数字控制接口312中的低电压控制使用另一种格式，则甚至可以省略。在一些实施例中，数据处理元件310还具有纠错元件316，其验证、纠正或请求数据的重新发送。

数据处理元件310还可以具有解码器，其从离子控制信息解码数据元素。离子控制信息可以包括例如一个或多个电压值和相关联的地址，并且解码器318可以确定要被寻址并用相关联的电压设置的电极的列和行，并且可以将寻址信号370提供给电极控件330，并将电压提供给电压控件350。在一些实施例中，电压值可以包括用于将离子保持在特定位置上的中性电压分布的信息、数据或值，或者包括用于电压分布的穿梭电压的信息、数据或值，例如用于在通道元件之间移动离子的穿梭电压分布。在一些实施例中，中性电压分布可以不同于穿梭电压分布，其具有对称或更简单的电压分布，因为将离子保持在固定位置所需的电场梯度需要比将导致离子在期望方向上移动的电场梯度更少的整形。另外，在一些实施例中，电压可以是用于维持基本、默认或标准偏压的保持电压，中性电压分布或穿梭电压分布相对于该基本、默认或标准偏压而改变以提供局部化的电场梯度来俘获或控制离子。

在一些实施例中，离子控制信息可以包括用于特定的相关联的电压水平的显式地址，并且离子控制信息可以指示用于针对特定电压分布而设置的每个电极的显式地址和电压。电压水平可以被指示为作为整数或实数的显式电压水平，例如+7.2伏。在其他实施例中，电压水平可以由从预定公式、表格等确定电压水平的指数来指示。例如，电压可以由指数4指示，其可以用于参考表，从而指示期望电压值+7.Ov，或者可以在计算中使用以确定期望的电压，例如，通过将指数乘以电压因子来确定期望的电压水平。

在其他实施例中，离子控制信息可以定义电压分布和基位置。电压分布可以指示移动的类型、电压分布的类型等，并且可以预定义将被确定为提供电压分布的多个电极的电压。例如，电压分布可以具有用于电极的预定电压，其中，第一电极对处于+6v，第二电极对处于+2v，第三电极对处于+4v，而第四电极对处于+7v，离子控制信息可以描述一个或多个电极对的地址，并且电压分布的每个电极对的电压可以基于电极对的相对位置来确定，以基于电压分布的预定电压来寻址。在另一实施例中，离子控制信息还可以描述电压分布的移动方向，使得可以正确地取向不对称的电压分布。在一些实施例中，离子控制信息还可以包括离子的路径、速度或移动分布，使得可由解码器基于时间函数来设置电压，其中，例如每隔一秒设置新电极电压以移动电压分布或改变电压，从而使离子沿着所识别的路径或在所识别的方向上移动。

在一些实施例中，电压控件350包括DAC寄存器352、DAC 354和复用器(MUX)356。DAC寄存器352保存DAC的电压值，且DAC将数字电压值转换为模拟电压值或信号。DAC寄存器352可以用于将电压保持足够长的时间，以便DAC 354通过它们自身以及通过复用器356传播模拟电压，以提供到电极元件362。模拟电压值可以被发送到复用器356，其接收寻址信息以将特定电压路由到电极元件362的特定列。每个DAC 354可以被设置具有保持电压或穿梭电压，使得例如可以设置整行、整列、列或行的片段。设置电极的单个行、列、行片段或列片段允许使用有限数量的DAC 354，因为DAC 354可以被重新用于设置另一组电极。

在一些实施例中，复用器356可以是传递模拟电压而不是简单地提供数字输出水平的模拟复用器。另外，模拟复用器可以被配置成允许模拟穿梭电压的选择和用于多个电极的保持电压的选择。

电极控件330可以具有复用器寄存器332，其提供控制信号，该控制信号选择用于向所选电极元件362提供一个或多个电压的一个或多个DAC 354。复用器寄存器332可以提供多个控制信号，从而允许用于不同输出线的电压的选择。例如，在一些实施例中，复用器356可以选择性地在特定电极列的第一输出上提供选自多个穿梭电压VS 360的穿梭电压VS360，以及在特定电极列的第二输出上提供选自多个保持和中性电压的保持电压VK 358或中性电压。向特定电极提供穿梭电压VS 360和保持电压VK 358两者可以将穿梭电压VS 360和保持电压VK 358设置成单独的值，其中，向电极元件362提供电极使能信号ESEL以用于在穿梭电压VS 360和保持电压VK 358之间进行选择以便施加到电极，并且还可以使用电极使能信号将组中的每个电极选择性地设置成穿梭电压VS 360或保持电压VK 358。另外，复用器可以被配置成从第一多个DAC 354接收多个不同的穿梭电压VS 360，并且将不同的穿梭电压VS 360中的至少一个提供给与不同电极列相关联的一个或多个输出。因此，DAC 354可以提供用于设置不同列中的电极元件362的穿梭电压VS 360，从而减少了设置大量电极元件362所需的DAC 354的数量。这可以通过如下来实现：将不同的DAC设置为针对穿梭电压分布所需的不同电压，并且使用DAC 354为不同电极提供所需的电压，而不是使单个DAC与组中的电极相关联，并且潜在地将多个DAC设置为具有相同的电压。类似地，另一DAC 354可以提供用于设置多个电极中的电压的保持电压VK 358，从而减少所需DAC 354的数量。

在一些实施例中，电极控件330还可以包括穿梭使能(SHEN)寄存器334和电极选择(ESEL)寄存器336。SHEN寄存器334从解码器318接收寻址信号370，其指示哪些电极是穿梭电极，即被分配具有作为穿梭电压分布的一部分的电压的电极。SHEN寄存器334保存用于穿梭使能信号SHEN[0..n]340的值，并且向电极元件362提供一个或多个穿梭使能信号SHEN[0..n]340，以使被指定为穿梭电极的电极使用穿梭电压而不是保持电压。因此，穿梭使能信号SHEN[0..n]使得电极能够用作穿梭电极。

ESEL寄存器336从解码器318接收寻址信号370，其指示哪些电极被激活了。ESEL寄存器336保存电极选择信号ESEL[0..k]的值，并向电极元件提供电极选择信号ESEL[0..k]以激活或选择指定的电极，从而设置所选的穿梭电压360或保持电压358s。因此，电极选择信号ESEL[0..k]使得电极元件362能够将电压施加到电极以产生电场来控制离子的移动。

在一些实施例中，一组电极或离子穿梭系统的一部分可以具有在单一维度中、沿着单一移动路径等的电极。在这样的实施例中，电极选择信号ESEL[0..k]、移位使能信号SHEN[0..n]、穿梭电压VS和保持电压VK可以是用于单一维度电极阵列的单组信号。在其他实施例中，一组电极或离子穿梭系统的一部分可以具有多维电极布置，其中，一个或多个路径彼此交叉或以其他方式形成交叉点。对于多维电极布置来说，电极选择信号ESEL[0..k]、移位使能信号SHEN[0..n]、穿梭电压VS\或保持电压VK中的一个或多个可以具有多个维度。例如，电极选择信号ESEL[0..k]可以具有用于x和y方向的电极选择信号，使得可以从网格中选择一组电极。因此，可以选择x方向上的电极范围和y方向上的电极范围，其中，落入所选择的x和y方向范围两者的电极被激活。移位使能信号SHEN[0..n]、穿梭电压VS或保持电压VK可以具有类似的x和y方向信号，或者可以被提供用于x和y方向。

图3B是根据一些实施例的用于离子穿梭控制系统的模拟复用器371。模拟复用器371可以具有多个线路复用器376，其复用来自多个DAC的信号。DAC可以包括多个保持电压DAC 372和多个穿梭电压DAC 374。线路复用器376向不同的线路或电极组提供输出信号380，并且可以包括多个穿梭电压复用器和多个保持电压复用器。另外，在一些实施例中，每一线路复用器376通过缓冲器378或通过一个或多个其他元件提供输出信号380，以用于处理、处置、操纵或修改输出信号380。

每一穿梭电压复用器连接到多个穿梭电压DAC 374，并且可被切换以通过将选择的一个穿梭电压DAC 374连接至一个或多个电极来向多个不同电极提供穿梭电压VS[0..n]。类似地，每个保持电压复用器连接到多个保持电压DAC 372，并且可被切换以通过将选择的一个保持电压DAC 372连接到一个或多个电极来向多个不同电极提供保持电压VK[0..n]。然后，电极可被激活并选择，以开启电极，并使电极使用所提供的穿梭电压VS[0..n]或所提供的保持电压VK[0..n]。

图4A-4B示出了根据一些实施例的电压VA、VB、V0-V3向离子穿梭系统的施加。图4A示出了示出中性电压分布402和具有提供中性电压分布402的一组电极210的系统410的图400。

中性电压分布402可以是施加到电极210的一个或多个电压，其产生用于将离子保持在特定位置的对称电场。离子的移动是由施加到电极210的DC偏压控制的，并且在一些实施例中，中性电压分布402可以由将两个保持区404分开的中性电压区406提供。保持区具有排斥大于中性电压区406中的中性电压VB的离子的默认或保持电压VA。可将中性区电压VB施加到一个或多个目标电极412，并且目标电极412可以位于施加了保持电压VA的保持电极414之间。中性电压分布402在中性电压区406中产生阱，其使离子保持受控且基本上不动或大体上处在限定位置中。例如，对于带正电的镁离子(Mg+)来说，用于保持区404的保持电压VA具有比中性电压区406的中性电压VB大的正幅度。在一些实施例中，DC偏置电压可在10v范围内，其中，例如保持电压VA被设置为约10v以产生保持区404，且用于产生中性电压区406的中性电压VB或穿梭电压被设置为约2v、被设置为负电压、或被设置为与允许控制离子的保持电压具有电压差的另一电压。保持区404的较高电压产生较强的正电场，从而使离子保持被俘获在中性电压区406中。在通道元件416的相对侧上提供电极210将离子保持在穿梭通道中，而不使离子直接位于电极210上。应当理解，这些电压值仅仅是示例，因为实际电压可以基于不同的穿梭方法、阱几何形状、离子种类、离子到表面的距离等而极大地变化。

图4B图示了示出穿梭电压分布422和具有提供穿梭电压分布422的一组电极210的系统430的图400。穿梭电压分布422可以是施加到电极210的一组电压，其产生不对称的电场以使离子沿着通道元件416移动。在一些实施例中，可以通过分离两个保持区424的穿梭电压区426来提供穿梭电压分布422。在穿梭电压分布422中，保持区424具有默认电压或保持电压VA，其排斥大于穿梭电压区426中的穿梭电压V0...V3的离子，类似于中性电压区406。然而，穿梭电压区426可以具有不对称的电场，所述不对称的电场提供在一侧处具有较低电压梯度或电场梯度的电压场，其引起在期望方向上的移动。

例如，穿梭电压分布422可以由穿梭电极组432形成，该穿梭电极组具有施加了第一绑定穿梭电压V0的第一绑定穿梭电极434、施加了中间穿梭电压V1的中间穿梭电极436、以及施加了附加绑定穿梭电极电压V2、V3的一个或多个附加绑定穿梭电极438、440。在一些实施例中，附加绑定穿梭电极438、440具有不同的绑定穿梭电压V2、V3，以提供具有比具有由第一绑定穿梭电压V0产生的电场梯度或电压梯度的区更浅或更平缓的电场梯度或电压梯度的区。在一些实施例中，这可以通过拥有具有第三绑定穿梭电压V3的第三绑定穿梭电极440和具有第二绑定穿梭电压V2的第二绑定穿梭电极438来实现，其中，第三绑定穿梭电极440和第二绑定穿梭电极438位于中间穿梭电极436和保持电极414之间。在一些实施例中，第三绑定穿梭电压V3可以高于第二绑定穿梭电压V2，并且第二和第三绑定穿梭电压V2、V3可以在保持电压VA和中间穿梭电压V1之间。类似地，第一绑定穿梭电压V0可以在保持电压VA和中间穿梭电压V1之间。例如，对于上述Mg+离子来说，保持电压VA可以拥有具有最大+10V DC偏压的电压分布，第一绑定穿梭电压V0可以拥有具有最大+6V DC偏压的电压分布，中间穿梭电压V1可以拥有具有最大+2V DC偏压的电压分布，第二绑定穿梭电压V2可以拥有具有最大+5V DC偏压的电压分布，并且第三绑定穿梭电压V3可以拥有具有最大+8V DC偏压的电压分布。在其他实施例中，穿梭电压可以拥有具有不同DC偏压的电压分布，例如在+/-40V的范围内，且电压可为负。另外，具有较大电压(正或负)的电压分布可以用于驱动例如每个电极处的无源组件。

穿梭电极组432的电极210横跨通道元件416成对形成，并且在通道元件416内或上包含离子。通过调整各个电极210的电压，有效地移位穿梭电极组432，可以调整穿梭电极组432以包括不同的电极210。DAC提供了形成穿梭电极组432所需的每个电压，并且复用器将穿梭电压路由到形成穿梭电极组432的选择的电极210。DAC周期地将穿梭电压路由到不同的电极以移位穿梭电极组或在新的位置中形成穿梭电极组432来使离子移动。

虽然在穿梭电极组432中示出了四组电极，但是应当理解，可以使用任何数量的电极对来形成穿梭电极组432，其中，更多的电极对扩大了电压分布并且使电压分布散布在更大的距离之上，这允许在离子的加热更少的情况下使离子更快速穿梭。

图4C示出了根据一些实施例的离子穿梭系统的电极的电压V0-V3的瞬态电压分布452-458。施加到穿梭组的每个电极的电压可以随时间变化以使离子在电极之间移动。随时间变化的电压可以各自是瞬态电压分布452-458，并且穿梭电极组的每个电极可以具有不同的瞬态电压分布。另外，当穿梭电极组向一系列电极移动时，电极可以依次被提供有不同的瞬态电压分布。例如，对于充当第一绑定穿梭电极的第一电极，可以提供第一绑定穿梭电压V0作为第一瞬态电压分布452。类似地，对于充当中间穿梭电极的第二电极，可以提供中间穿梭电压V1作为第二瞬态电压分布454，对于充当第二绑定穿梭电极的第三电极，可以提供第二绑定穿梭电压V3作为第三瞬态电压分布456，并且对于充当第三绑定穿梭电极的第四电极，可以提供第三绑定穿梭电压V3作为第四瞬态电压分布458。在一些实施例中，DAC寄存器(图3A、3B)可以通过在特定时间提供瞬态电压分布452-458的一部分且根据相应的瞬态电压分布随时间改变所提供的电压来提供瞬态电压。

图5A-5C示出了根据一些实施例的使用穿梭电压提供离子穿梭的系统。图5A示出了根据一些实施例的处于初始位置的穿梭电极组432。穿梭电极组432具有带有第一绑定穿梭电压V0的第一绑定穿梭电极434、施加了中间穿梭电压V1的中间穿梭电极436、带有第三绑定穿梭电压V3的第三绑定穿梭电极440、和带有第二绑定穿梭电压V2的第二中间穿梭电极438。在一些实施例中，电压v0...v3可以具有如上所述设置的值。在一些实施例中，离子502沿着通道元件416由穿梭电极组432控制。穿梭电极组321可以设置在具有保持电压VA的保持电极414之间。图5B和5C示出了分别被一个和两个电极移位的穿梭电极组432，当与瞬态电压分布一起使用时，使得离子502沿着通道单元416前进，其中，电压v0...v3被调制以便在穿梭电极组432被移位之前在中间电极之间使离子前进。中间穿梭电极436的中间穿梭电压V1形成穿梭电压分布的最低电压，将离子502主要保持在作为穿梭电极组432的中间穿梭电极436之间，以及相关的穿梭电压分布，沿着通道元件416前进。在一些实施例中，可以使用瞬态电压分布来调制穿梭电极组432的所有电压v0...v3，以在电极之间使离子502移动。

图6A-6F示出了根据一些实施例的在多维系统中使用穿梭电压来提供离子穿梭。在一些实施例中，穿梭电极组432可以沿着一个或多个通道602、604移动，以使离子502在多维离子穿梭系统中穿梭。因此，穿梭电极组可以使离子502线性地移动通过两个或更多个通道602、604的交叉点，且还可以使离子502从第一通道602移动到第二通道604以改变离子502的方向或使离子502非线性地移动。

图6A示出了根据一些实施例的在沿着第一通道602的初始位置中的穿梭电极组432。穿梭电极组432可以包括如上所述的电极，其中，所施加的电压提供包含或控制第一通道602的通道元件上的离子502的穿梭电压分布。第一通道602可以在交叉点214处与第二通道604相交，且可使穿梭电极组432移动或移位以使离子502通过交叉点214从第一通道602移动到第二通道604。穿梭电极组432可以横跨或跨过交叉点214。因此，在一些实施例中，来自通道602、604的一个或多个通道元件用作穿梭电极组432中的电极。在一些实施例中，穿梭电极组432的一个或多个电极位于交叉点214的与离子502和中间穿梭电极436相对的一侧。例如，在一些实施例中，当离子502沿着第一通道602穿梭时，来自第二通道604的跨交叉点214的通道元件可以用作第三绑定穿梭电极440。

图6B示出了使离子502向交叉点214前进的穿梭电极组432。在该位置，穿梭电极组432可以沿着第一通道602跨在交叉点214上，并且可以使用通道元件作为一组电极。穿梭电极组432还可以具有与离子502和中间穿梭电极436的交叉点214相对的至少一组电极。此外，中间穿梭电极436可以紧邻交叉点214，使得离子502紧邻交叉点214。

图6C示出了穿梭电极组432将离子502移动到交叉点214的操作布置。在一些实施例中，在该位置，穿梭电极组432可以旋转或移动到第二通道604以沿着第二通道602跨在交叉点214上。在一些实施例中，在该位置，穿梭电极组432可以使用通道元件作为一组电极并且沿着第一通道602跨在交叉点214上。中间穿梭电极436可以由跨在交叉点214上的通道元件提供，以使离子502移动到交叉点214。因此，当离子502在交叉点214中时，中间穿梭电极436可以直接跨在交叉点214上。

图6D示出了使离子502沿着第二通道604移动远离交叉点214的穿梭电极组432。在此位置，离子502已从交叉点214或从交叉点214外部的第一通道移动到第二通道604中。在其中通道元件用作穿梭电极组432中的电极的一些实施例中，当离子502移动到第二通道604上时，跨在交叉点214上的第一通道602的通道元件可以用作穿梭电极组的一部分。例如，当离子502移动远离交叉点214时，第一通道602的通道元件可以用作第一绑定穿梭电极434。

在一些实施例中，离子502可以从图6B所示的位置移动到图6D所示的位置，而穿梭电极组的明显部分不会导致离子移动到交叉点中。

图6E图示了根据一些实施例的使离子502沿着第一通道604远离交叉点214移动以线性穿梭经过交叉点214的穿梭电极组432。在一些实施例中，穿梭电极组432可以延伸跨过交叉点214，其扩大或延伸了由穿梭电极组432提供的电压分布。扩大穿梭电极组可以使离子502以较少的加热更快地移动，并且延伸穿梭电极跨过交叉点可以扩大由穿梭电极组432覆盖的物理面积，而不增加穿梭电极组432中的电极数量。

图6F示出了根据一些实施例的包括避开或跳过通道602、604的电极的穿梭电极组432。例如，所说明的穿梭电极布置432可以被提供以使离子移动到交叉点214中，而不使用通道元件作为穿梭电极组432的电极。在一些实施例中，穿梭电极组432可以跨在第二通道604的通道元件和交叉点214上。因此，跨在交叉点214上的第一通道602的通道元件可以用作穿梭电极组432的一部分，以使离子502移动到交叉点214中。因此，穿梭电极组432可以具有在交叉点214或第二通道604的第一侧上的第一绑定穿梭电极434和中间穿梭电极436，并且具有在交叉点214或第二通道604的相对侧或第二侧上的第二绑定穿梭电极438和第三绑定穿梭电极440。然后，穿梭电极组432可以沿着第二通道604移动，以使离子502远离交叉点214移动。

相反，电极相对于通道602、604的布局可能不允许离子在交叉点214中的直接放置。使离子502从邻近于交叉点214的第一通道602移动通过交叉点214直接到交叉点外部的第二通道604可以是有利的。因此，系统可以提供使离子502从第一通道602移动到第二通道604，从而提供俘获离子量子计算的离子的多维受控移动。

另外，虽然未示出，但是一个或多个电极可以被分开或不同地成形，使得可以向通道602、604提供多个不同的穿梭电压，以用于对离子穿梭的电场实现更有针对性或更精细的控制。

图7A-7B示出了根据一些实施例的电极电压控制设备。图7A示出了根据一些实施例的用于在单个维度上提供电极元件362的系统700。图7C示出了根据一些实施例的与电极电压控制设备相关联的控制和输出电压。多个电极元件362可以位于系统700中，并且每个电极元件362可以连接到提供ESEL信号338、SHEN信号340、VS信号360和VK信号358的电连接。

在一些实施例中，电极元件362可以包括数据保持元件，例如锁存器702。在一些实施例中，锁存器702可以是一位存储元件，例如设置-重置(SR)锁存器、延迟锁存器(D锁存器)等，或者可以是另一类型的开关、锁存器等。在其他实施例中，触发器、状态机、存储电路、逻辑元件或其他存储元件可用于保持或锁存例如ESEL信号338的控制信号。

D锁存器可以具有使能(E)端口和数据(D)端口，以及正输出(Q)端口和反相输出(Q)端口。在一些实施例中，锁存器702可以在设置使能端口或激活ESEL 338信号时锁存数据端口处的值，并且将数据值保持在输出端口(并且将数据值的反相保持在反相输出端口)。当SHEN信号被激活或为高水平时，正输出端口值(Q)将为高水平或置位。因此，如图7C所示，当ESEL信号被断言时，由SHEN表示的值将被传播到正输出端口(Q0，并且Q的值将被保持，而不管SHEN值的变化如何。电极元件362还可以具有连接到VS和VK线的电压控制晶体管704、706，以控制VS和VK线到电极210的连接。因此，当正输出端口被置位时，可以设置或打开穿梭电压控制晶体管706，以连接电极210和穿梭电压线，使得电极210具有在穿梭电压线上提供的穿梭电压VS。当反相输出端口被置位时，可以设置或打开保持电压控制晶体管704，以将保持电压线连接到电极210。

虽然在该布置中针对每个电极元件362示出了单个电极210，但是应当理解，任何数量的电极都可以连接电压控制晶体管704、706。例如，如上所述，电极对可以位于穿梭通道或通道元件的相对侧上，并且彼此直接相对的电极可以被设置到相同的电压。因此，电极对的两个电极210可以电连接到单个锁存器702或由其控制，从而减少了沿着穿梭通道控制电极210所需的元件的数量。在其他实施例中，每个电极都可以是单独的电极元件362的一部分，从而允许直接跨穿梭通道或通道元件彼此单独地控制电极210的电压。

虽然示出了用于电极元件362的锁存器，但是也可以使用允许保持、锁存或存储SHEN信号340的任何存储元件。另外，虽然未示出，但是电极元件362可以包括例如运算放大器(op-amp)电路的噪声滤波器，或者可以包括用于向电极210提供例如纠缠电压的附加电压存储装置。另外，每个电极元件362都可以具有电容器，或电极210本身可以具有一些电容，使得ESEL信号338和SHEN信号340可用于根据所选的VS电压信号360或VK电压信号358对电极201电容器充电。然后，电容器保持电极201处的电压，使得ESEL信号338和SHEN信号340可以用于设置其他电极元件362上的电压，从而可以并行地控制多组离子。

图7B示出了根据一些实施例的用于电极210的多维控制的电极元件720。多个电极元件720可以位于系统中，并且每个电极元件720可以连接到用于x和y方向的电连接。因此，电极元件720可以连接到用于x方向电极选择(ESELX)信号338B、x方向移位使能(SHENX)信号340A、x方向穿梭电压(VSX)信号360A、x方向保持电压(VKX)信号358A、y方向电极选择(ESELY)信号338A、y方向移位使能(SHENY)信号340B、y方向穿梭电压(VSY)信号360B和y方向保持电压(VKY)信号358B的电连接。

在一些实施例中，电极元件720具有电极控件722，例如状态机、锁存器、数字存储装置或逻辑等。例如，电极控件722可以是由例如D锁存器和逻辑构建的异步状态机。在一些实施例中，可通过设置或激活适当的电极选择线ESELX、ESELY来激活期望电极水平或垂直施加电压。因此，可以激活线中的一组电极，并且将断开不需要的电压线VSX、VSY、VKX、VKX。这种布置允许激活电极线取向，允许使用有限数量的DAC，并且在提供多维离子穿梭的同时降低电路复杂性。

在电极控件722是一对锁存器的一些实施例中，ESELX或ESELY信号之一被激活，并且来自电极控件722的该对锁存器中的锁存器锁存了相应的SHEN值。因此，当相应的SHENX或SHENY值被激活时，相关联的EXELX或ESELY信号选择相关的锁存器是否激活相关的x方向电压控制晶体管726A、726B或y方向电压控制晶体管724A、724B。激活x方向电压控制晶体管726A、726B将所选VSX 360A或VKX 358A连接到电极210，并且激活y方向电压控制晶体管724A、724B将所选VSY 360B或VKY 358B连接到电极210。另外，在一些实施例中，可以提供登录(login)以确保在任何特定时间连接仅一组晶体管方向晶体管，使得例如设置EXELX断开了y方向晶体管724A和724B两者。

图8是示出根据一些实施例的用于提供离子穿梭的方法800的流程图。在框802中，识别穿梭电极元件。例如，可以在离子控制信息中明确地描述穿梭电极元件，或者可以识别位置、方向、路径等，并且例如解码器等的元件可以从离子控制信息中识别各个穿梭电极元件，例如通过基于识别的位置和穿梭电压分布要求来确定哪些电极元件是穿梭电极组的一部分。

在框808中，将保持电压提供给在穿梭组电极外部的一组电极元件。在一些实施例中，该组电极元件包括保持在穿梭电极组之外的电极元件，使得保持电压可以被施加在穿梭电极组附近。

在框804中，可以确定一个或多个穿梭电压。在一些实施例中，穿梭电压可以与穿梭电压分布相关联，并且可以在离子控制信息中发送，或者可以根据离子控制信息来确定。可以将穿梭电压发送到产生所需穿梭电压的一组穿梭电压DAC。在框806中，将穿梭电压提供给穿梭电极元件。在一些实施例中，通过使用复用器选择性地将每个电极元件连接到穿梭电压DAC，向每个穿梭电极元件提供穿梭电压。

当被设置时，保持电压可以保持恒定，以将离子保持在当前位置。然而，可以调制穿梭电压，并且穿梭电压也可以是瞬态的，以提供期望的电压分布和移动，同时减少绝热加热。例如，DAC可以以100kHz...1MHz的速率更新以在具有合适的电压模式的中间电极之间使离子移动，同时最小化绝热加热。

在框810中，激活的穿梭使能(SHEN)信号被提供给具有穿梭电极元件的行或列。在框812中，将激活的电极选择(ESEL)信号提供给该组中的电极元件的行或列。在一些实施例中，在离子的移动方向上施加ESEL信号，使得ESEL选择电极元件，以沿着行进的轴或方向在离子的前面和后面施加保持电压。另外，可以在不同方向上提供或激活ESEL和SHEN信号，使得在精确位置激活穿梭。例如，可以沿x轴提供SHEN信号，并且可以沿y轴提供ESEL信号，使得穿梭电极元件位于SHEN和ESEL信号的交叉点处。被提供ESEL信号但没有被提供SHEN信号的其余电极元件将是保持电极元件。

在框814中，设置提供给电极元件的电压。穿梭电极元件设置提供给相应穿梭电极元件的穿梭电压，且保持电极元件设置提供的保持电压。电压被提供给电极元件的各个电极，从而形成电场。因此，在框816中，可以穿梭或控制离子。该过程可以重复，以将离子移动到下一个位置，或者通过将第二电极元件识别为新位置的穿梭电极组(框802)、向第二电极元件提供穿梭电压(框806)并向第二电极元件外部的相关电极提供保持电压、提供激活的SHEN信号(框810)并提供激活的ESEL信号(框812)来将离子保持在某个位置，使得第二电极元件设置电压(框814)并使离子移动到新位置(框816)。

用于多维离子穿梭的实施例装置包括具有第一通道元件的第一穿梭通道、具有第二通道元件的第二穿梭通道、沿着第一移动通道定位的第一电极元件、沿着第二移动通道定位的第二电极元件、连接到第一电极元件和第二电极元件中的每个电极元件的电极控制电路、以及连接到第一电极元件和第二电极元件中的每个电极元件的电压控制电路，其中，第二穿梭通道在交叉点处与第一穿梭通道相交。电压控制电路被配置成根据来自电极控制电路的信令选择性地将至少一个电压提供至第一电极元件和第二电极元件中的一个或多个电极元件，并且至少一个电压控制离子沿着第一穿梭通道或第二穿梭通道中的至少一个的移动。

在一些实施例中，电压控制电路包括多个数模转换器(DAC)和复用器，复用器被配置成选择性地将多个DAC中的每个DAC连接到第一电极元件和第二电极元件中的每个电极元件。在一些实施例中，电压控制电路还包括多个DAC寄存器，其中，多个DAC寄存器连接到数据处理元件，其中，数据处理元件被配置成向DAC寄存器发送具有多个电压值的数据信号，并且其中，多个DAC寄存器中的每个DAC寄存器被配置成存储多个电压值中的电压值，并且向多个DAC中的DAC提供相应的电压值。在一些实施例中，多个DAC包括多个保持电压DAC和多个穿梭电压DAC，并且其中，多个保持电压DAC中的每个保持电压DAC被配置成通过复用器向第一电极元件和第二电极元件中的每个电极元件提供保持DAC信号，该保持DAC信号包括根据多个电压值而选择的保持电压或者具有中性电压分布并且根据多个电压值而选择的中性电压中的至少一个，并且其中，多个穿梭电压DAC中的每个穿梭电压DAC被配置成通过复用器向第一电极元件和第二电极元件中的每个电极元件提供穿梭DAC信号，该穿梭DAC信号包括穿梭电压分布的至少一个穿梭电压。在一些实施例中，穿梭电压分布包括不同于保持电压的两个或更多个穿梭电压。在一些实施例中，离子是带正电的离子，并且两个或更多个穿梭电压中的每一个低于保持电压。在一些实施例中，复用器被配置成根据来自电极控制电路的控制信号，选择性地将第一电极元件和第二电极元件中的每个电极元件连接到多个穿梭电压DAC中的穿梭电压DAC。在一些实施例中，第一电极元件和第二电极元件中的每个电极元件被配置成根据穿梭使能信号激活来锁存保持DAC信号或穿梭DAC信号中的一个。

实施例多维离子穿梭装置包括沿着第一穿梭通道定位的电极元件、连接到电极元件中的每一个的电极控制电路、以及连接到电极元件中的每一个的电压控制电路，其中，电极控制电路被配置成向电极元件的第一组电极元件提供激活的第一电极选择信号，该第一组电极元件至少包括穿梭电极组的穿梭电极元件，并且其中，电极控制电路被配置成向每个第一穿梭电极元件提供激活的第一穿梭使能信号，其中，电压控制电路被配置成向穿梭电极组的穿梭电极元件提供穿梭电压分布的一个或多个穿梭电压。电极元件被配置成响应于在相应电极元件处接收的第一电极选择信号和第一穿梭使能信号两者被激活而在相应电极元件的电极上施加相应的接收的穿梭电压。

在一些实施例中，电压控制电路包括多个数模转换器(DAC)和复用器，复用器被配置成选择性地将多个DAC中的每个DAC连接到电极元件中的每个。在一些实施例中，电压控制电路还包括多个DAC寄存器，其中，多个DAC寄存器各自被配置成向DAC寄存器接收具有多个电压值的数据信号，并且其中，多个DAC寄存器中的每个DAC寄存器被配置成存储多个电压值中的电压值，并且向多个DAC中的DAC提供相应的电压值。在一些实施例中，多个DAC包括多个保持电压DAC和多个穿梭电压DAC，并且其中，多个保持电压DAC中的每个保持电压DAC被配置成通过复用器向电极元件中的每个电极元件提供根据多个电压值而选择的保持电压或者中性电压中的至少一个，该中性电压具有中性电压分布并且根据多个电压值而选择，并且其中，多个穿梭电压DAC中的每个穿梭电压DAC被配置成通过复用器向电极元件中的每个电极元件提供穿梭电压分布的至少一个穿梭电压。在一些实施例中，电极元件包括沿着第一穿梭通道定位的第一电极元件，其中，第一穿梭通道在交叉点处与第二穿梭通道相交，并且其中，电极元件还包括沿着第二穿梭通道定位的第二电极元件。在一些实施例中，第一电极元件被配置成沿着第一穿梭通道将离子穿梭到交叉点，并且第二电极元件被配置成在第一电极元件将离子穿梭到交叉点之后继续沿着第二穿梭通道穿梭离子。在一些实施例中，复用器被配置成选择性地将每个电极元件连接到多个穿梭电压DAC中的穿梭电压DAC。

用于俘获离子量子计算系统的实施例离子穿梭方法包括：将离子穿梭系统的多个电极元件的第一电极元件识别为穿梭电极组的第一穿梭电极元件，其中，第一电极元件位于沿着第一穿梭通道的第一位置；确定穿梭电压分布的一个或多个穿梭电压；将一个或多个穿梭电压提供给穿梭电极组的第一穿梭电极元件；将第一激活电极选择信号提供给至少包括第一穿梭电极元件的第一组电极元件；将第一激活穿梭使能信号提供给每个第一穿梭电极元件；响应于第一电极选择信号和第一穿梭使能信号两者针对相应第一穿梭电极元件激活，在每个第一穿梭电极元件处产生用于相应第一穿梭电极元件的选择电压，其中，选择电压是提供给相应第一穿梭电极元件的穿梭电压，并且由相应第一穿梭电极元件设置；以及通过产生电场(E场)沿着第一穿梭通道穿梭离子，其中，电场是通过将每个第一穿梭电极元件的选择电压施加到相应第一穿梭元件的电极而产生的。

在一些实施例中，该方法还包括识别多个电极元件的第二电极元件作为穿梭电极组的第二穿梭电极元件，其中，第二穿梭电极元件位于沿着第二穿梭通道的第二位置，所述第二穿梭通道在交叉点处与第一穿梭通道相交；将一个或多个穿梭电压提供到第二穿梭电极元件；将第二激活电极选择信号提供到至少包括第一穿梭电极元件的第二组电极元件；将第二激活穿梭使能信号提供到每个第二穿梭电极元件；响应于第二电极选择信号和第二穿梭使能信号两者针对相应第二穿梭电极元件的激活，在每个第二穿梭电极元件处产生用于相应第二穿梭电极元件的选择电压，其中，选择电压是提供到相应第二穿梭电极元件并且由相应第二穿梭电极元件设置的穿梭电压；以及，通过产生电场沿着第二穿梭通道穿梭离子，其中，电场是通过将每个第二穿梭电极元件的选择电压施加到相应第二穿梭元件的电极而产生的。

在一些实施例中，电场是非对称电场，该非对称电场提供在一侧具有较低电压梯度或电场梯度的电压场，其引起在期望方向上的移动。在一些实施例中，将一个或多个穿梭电压提供给穿梭电极组的第一穿梭电极元件包括使用多个穿梭数模转换器(DAC)将数字电压值转换成模拟穿梭电压，其中，多个穿梭DAC中的每个穿梭DAC产生不同的模拟穿梭电压，并且由一个或多个复用器根据一个或多个控制信号将每个第一穿梭电极元件连接到穿梭DAC之一，使得相应穿梭元件接收由连接的DAC产生的模拟穿梭电压。在一些实施例中，该方法还包括向第一组电极元件中除了第一穿梭电极元件之外的第三电极元件提供保持电压；以及响应于第一电极选择信号被激活并且还响应于相应第三电极元件没有接收到激活的穿梭使能信号而在每个第三电极元件处产生用于相应第三电极元件的选择电压，其中，选择电压是提供给相应第三电极元件并且由相应第三电极元件设置的保持电压。

尽管已经参考说明性实施例描述了本发明，但是该描述不应在限制性的意义上解释。当参考本说明书后，对于本领域技术人员来说，对说明性实施例的各种修改和组合以及本发明的其他实施例将是显而易见的。因此，所附权利要求书旨在涵盖任何这样的修改或实施例。

Claims (20)

1.一种装置，包括：

第一穿梭通道，包括第一通道元件；

第二穿梭通道，包括第二通道元件；

第一电极元件，沿着第一移动通道定位；

第二电极元件，沿着第二移动通道定位；

电极控制电路，连接到所述第一电极元件和所述第二电极元件中的每个电极元件；以及

电压控制电路，连接到所述第一电极元件和所述第二电极元件中的每个电极元件，其中，所述电压控制电路被配置成根据来自所述电极控制电路的信令而选择性地向所述第一电极元件和所述第二电极元件中的一个或多个电极元件提供至少一个电压，其中，所述至少一个电压控制离子沿着所述第一穿梭通道或所述第二穿梭通道中的至少一个的移动。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述电压控制电路包括多个数模转换器(DAC)和复用器，所述复用器被配置成将多个DAC中的每个DAC选择性地连接到所述第一电极元件和所述第二电极元件中的每个电极元件。

3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述电压控制电路还包括多个DAC寄存器，其中，所述多个DAC寄存器连接到数据处理元件，其中，所述数据处理元件被配置成向所述DAC寄存器发送具有多个电压值的数据信号，并且其中，所述多个DAC寄存器中的每个DAC寄存器被配置成存储所述多个电压值中的电压值，并向所述多个DAC中的DAC提供相应的电压值。

4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述多个DAC包括多个保持电压DAC和多个穿梭电压DAC，并且其中，所述多个保持电压DAC中的每个保持电压DAC被配置成通过所述复用器向所述第一电极元件和第二电极元件中的每个电极元件提供保持DAC信号，所述保持DAC信号包括根据所述多个电压值而选择的保持电压或中性电压中的至少一个，所述中性电压具有中性电压分布并且根据所述多个电压值而选择；并且

其中，所述多个穿梭电压DAC中的每个穿梭电压DAC被配置成通过所述复用器向所述第一电极元件和第二电极元件中的每个电极元件提供穿梭DAC信号，所述穿梭DAC信号包括穿梭电压分布的至少一个穿梭电压。

5.根据权利要求4所述的装置，其中，所述穿梭电压分布包括与所述保持电压不同的两个或更多个穿梭电压。

6.根据权利要求5所述的装置，其中，所述离子是带正电的离子，并且其中，所述两个或更多个穿梭电压中的每一个低于所述保持电压。

7.根据权利要求4所述的装置，其中，所述复用器被配置成根据来自所述电极控制电路的控制信号，将所述第一电极元件和所述第二电极元件中的每个电极元件选择性地连接到所述多个穿梭电压DAC中的穿梭电压DAC。

8.根据权利要求4所述的装置，其中，所述第一电极元件和所述第二电极元件中的每个电极元件被配置成根据穿梭使能信号激活来锁存所述保持DAC信号或所述穿梭DAC信号中的一个。

9.一种装置，包括：

电极元件，沿着第一穿梭通道定位；

电极控制电路，连接到每个电极元件，其中，所述电极控制电路被配置成向所述电极元件的第一组电极元件提供激活的第一电极选择信号，所述第一组电极元件至少包括穿梭电极组的穿梭电极元件，其中，所述电极控制电路被配置成向每个第一穿梭电极元件提供激活的第一穿梭使能信号；以及

电压控制电路，连接到每个电极元件，其中，所述电压控制电路被配置成向穿梭电极组的穿梭电极元件提供穿梭电压分布的一个或多个穿梭电压；

其中，所述电极元件被配置成响应于在相应电极元件处接收的第一电极选择信号和第一穿梭使能信号两者被激活而在相应电极元件的电极上施加相应接收的穿梭电压。

10.根据权利要求9所述的装置，其中，所述电压控制电路包括多个数模转换器(DAC)和复用器，所述复用器被配置成将多个DAC中的每个DAC选择性地连接到所述电极元件中的每一个。

11.根据权利要求10所述的装置，其中，所述电压控制电路还包括多个DAC寄存器，其中，所述多个DAC寄存器各自被配置成向所述DAC寄存器接收具有多个电压值的数据信号，并且其中，所述多个DAC寄存器中的每个DAC寄存器被配置成存储所述多个电压值中的电压值，并向所述多个DAC中的DAC提供相应的电压值。

12.根据权利要求11所述的装置，其中，所述多个DAC包括多个保持电压DAC和多个穿梭电压DAC，并且其中，所述多个保持电压DAC中的每个保持电压DAC被配置成通过所述复用器向所述电极元件中的每一个提供根据所述多个电压值而选择的保持电压或中性电压中的至少一个，所述中性电压具有中性电压分布并且根据所述多个电压值而选择；以及

其中，所述多个穿梭电压DAC中的每个穿梭电压DAC被配置成通过所述复用器向所述电极元件中的每一个提供穿梭电压分布的至少一个穿梭电压。

13.根据权利要求12所述的装置，其中，所述电极元件包括沿着第一穿梭通道定位的第一电极元件，其中，所述第一穿梭通道在交叉点处与第二穿梭通道相交，并且其中，所述电极元件还包括沿着所述第二穿梭通道定位的第二电极元件。

14.根据权利要求13所述的装置，其中，所述第一电极元件被配置成沿着所述第一穿梭通道将离子穿梭到所述交叉点，并且其中，所述第二电极元件被配置成在所述第一电极元件将离子穿梭到所述交叉点之后继续沿着所述第二穿梭通道穿梭离子。

15.根据权利要求12所述的装置，其中，所述复用器被配置成将所述电极元件中的每一个选择性地连接到所述多个穿梭电压DAC中的穿梭电压DAC。

16.一种用于俘获离子量子计算系统的离子穿梭方法，所述方法包括：

将离子穿梭系统的多个电极元件中的第一电极元件识别为穿梭电极组的第一穿梭电极元件，其中，所述第一电极元件位于沿着第一穿梭通道的第一位置；

确定穿梭电压分布的一个或多个穿梭电压；

将一个或多个穿梭电压提供给穿梭电极组的第一穿梭电极元件；

向至少包括所述第一穿梭电极元件的第一组电极元件提供第一激活电极选择信号；

向每个第一穿梭电极元件提供第一激活穿梭使能信号；

响应于第一电极选择信号和第一穿梭使能信号两者针对相应第一穿梭电极元件激活而在每个第一穿梭电极元件处产生用于相应第一穿梭电极元件的选择电压，其中，所述选择电压是提供给相应第一穿梭电极元件并且由相应第一穿梭电极元件设置的穿梭电压；以及

通过产生电场(E场)沿着第一穿梭通道穿梭离子，其中，所述电场通过将每个第一穿梭电极元件的选择电压施加到相应第一穿梭元件的电极来产生。

17.根据权利要求16所述的方法，还包括：

将所述多个电极元件的第二电极元件识别为所述穿梭电极组的第二穿梭电极元件，其中，所述第二穿梭电极元件位于沿着第二穿梭通道的第二位置，所述第二穿梭通道在交叉点处与所述第一穿梭通道相交；

将一个或多个穿梭电压提供到第二穿梭电极元件；

向至少包括第一穿梭电极元件的第二组电极元件提供第二激活电极选择信号；

向每个第二穿梭电极元件提供第二激活穿梭使能信号；

响应于第二电极选择信号和第二穿梭使能信号两者针对相应第二穿梭电极元件激活而在每个第二穿梭电极元件处产生用于相应第二穿梭电极元件的选择电压，其中，所述选择电压是提供给相应第二穿梭电极元件并且由相应第二穿梭电极元件设置的穿梭电压；以及

通过产生电场沿着第二穿梭通道穿梭离子，其中，所述电场通过将每个第二穿梭电极元件的选择电压施加到相应第二穿梭元件的电极来产生。

18.根据权利要求16所述的方法，其中，所述电场是非对称电场，所述非对称电场提供在一侧处具有较低电压梯度或电场梯度的电压场，其引起在期望方向上的移动。

19.根据权利要求16所述的方法，其中，向穿梭电极组的第一穿梭电极元件提供一个或多个穿梭电压包括：

使用多个穿梭数模转换器(DAC)将数字电压值转换为模拟穿梭电压，其中，多个穿梭DAC中的每个穿梭DAC产生不同的模拟穿梭电压；以及

通过一个或多个复用器根据一个或多个控制信号将每个第一穿梭电极元件连接到穿梭DAC之一，使得相应穿梭元件接收由连接的DAC产生的模拟穿梭电压。

20.根据权利要求16所述的方法，还包括：

将保持电压提供到第一组电极元件中的除了第一穿梭电极元件之外的第三电极元件；以及

响应于第一电极选择信号被激活并且进一步响应于相应第三电极元件未接收到激活的穿梭使能信号而在每个第三电极元件处产生用于相应第三电极元件的选择电压，其中，所述选择电压是提供给相应第三电极元件并且由相应第三电极元件设置的保持电压。