CN116994790A - 离子阱装置和量子计算设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供离子阱装置和量子计算设备，其中，所述离子阱装置包括：法兰；离子囚禁组件，用于囚禁离子；微粒提供组件，用于向离子囚禁组件提供待囚禁离子；物镜探测组件，用于收集囚禁在离子囚禁组件中的离子发出的荧光；腔体，罩住设置在法兰与腔体的开口结合的一端上的离子囚禁组件、微粒提供组件和物镜探测组件，以将离子囚禁组件、微粒提供组件和物镜探测组件密封在腔体内部的真空环境中，其中，物镜探测组件收集到的荧光经由腔体内部的自由空间从物镜探测组件中的物镜的出光口传送至腔体上的视窗，随后经由腔体外部的自由空间从视窗传送至腔体外部的光子探测系统。本发明能够提升光子收集效率并且降低收集到的光子在传输期间的能量损耗。

Description

离子阱装置和量子计算设备

技术领域

本发明涉及量子计算技术领域，尤其涉及用于量子计算设备的离子阱装置以及包括该离子阱装置的量子计算设备。

背景技术

离子阱在量子计算、量子精密测量、离子钟等领域都有广泛的应用。其基本原理是使用多个电极构造一个囚禁空间，通过向电极上施加射频电压，在囚禁空间中产生囚禁电势场，将带电离子囚禁其中，再通过一定波长的激光对离子进行照射，使其在不同能级之间跃迁以实现冷却、态初始化、构造量子逻辑门等操作，并通过收集离子自发辐射的光子进行态探测或远距离纠缠。

目前，应用于量子计算设备中的离子阱装置存在诸多问题，诸如，设计不合理、性能不稳定、电气走线凌乱、集成度不高等。这会在很大程度上阻碍量子计算设备性能的提升。

发明内容

本发明的目的在于提供离子阱装置和量子计算设备。

根据本发明的一方面，提供一种离子阱装置，所述离子阱装置包括：法兰；离子囚禁组件，用于囚禁离子；微粒提供组件，用于向所述离子囚禁组件提供待囚禁离子；物镜探测组件，用于收集囚禁在所述离子囚禁组件中的离子发出的荧光；腔体，罩住设置在所述法兰与所述腔体的开口结合的一端上的所述离子囚禁组件、所述微粒提供组件和所述物镜探测组件，以将所述离子囚禁组件、所述微粒提供组件和所述物镜探测组件密封在所述腔体内部的真空环境中，所述物镜探测组件收集到的荧光经由所述腔体内部的自由空间从所述物镜探测组件中的物镜的出光口传送至设置在所述腔体上的视窗，随后经由所述腔体外部的自由空间从所述视窗传送至设置在所述腔体外部的成像系统或光子探测系统。

根据本发明的一个实施例，其中，所述法兰未与所述腔体的开口结合的另一端上设置有一个或多个贯通至所述腔体内部的馈通法兰，所述馈通法兰将用于在所述离子囚禁组件中产生电磁场的射频电流和直流电流、用于在所述微粒提供组件中产生待囚禁离子的加热电流以及用于调整所述物镜的姿态以使所述物镜的进光口对准所述离子囚禁组件的离子囚禁区域的驱动电流分别传送至所述离子囚禁组件、所述微粒提供组件和所述物镜探测组件。

根据本发明的一个实施例，所述离子囚禁组件为针极离子阱组件。

根据本发明的一个实施例，所述针极离子阱组件包括相对布置的两组针极，每组针极包括间距相同且互相平行的三根针极，并且三根针极在同一平面内且三根针极的针尖平齐，其中，三根针极中的中间针极接入所述射频电流，三根针极中的两侧针极分别接入所述直流电流。

根据本发明的一个实施例，两组针极中的一组针极的中间针极与两组针极中的另一组针极的中间针极同轴，并且两组针极中的一组针极所在的平面垂直于两组针极中的另一组针极所在的平面。

根据本发明的一个实施例，所述离子囚禁区域介于两组针极中的一组针极的中间针极与两组针极中的另一组针极的中间针极之间。

根据本发明的一个实施例，所述物镜探测组件包括一个或多个物镜，每个物镜配置有相应的位移台，所述驱动电流驱动所述位移台调整相应的物镜的姿态以使相应的物镜的进光口对准所述离子囚禁区域。

根据本发明的一个实施例，所述物镜为高NA值物镜。

根据本发明的一个实施例，所述微粒提供组件包括一个或多个原子炉，所述原子炉为一端开口一端密封的金属管，所述金属管内填充有用于产生待囚禁离子的微粒。

根据本发明的一个实施例，所述加热电流流过所述金属管，使得所述金属管内填充的微粒因导电受热而转换成原子蒸汽，所述原子蒸汽作为待囚禁离子经由所述开口喷射至所述离子囚禁区域。

根据本发明的另一方面，提供一种量子计算设备，所述量子计算设备包括如前所述的离子阱装置。

根据本发明的示例性实施例的离子阱装置和量子计算设备不仅能够为离子阱提供其工作时所需的真空环境，而且还能够进一步提升离子阱的光子收集效率，此外，还能够降低收集到的光子在传输至成像系统或光子探测系统期间的能量损耗，为后续的测量和研究提供了足够充分的数据，此外还进一步提升了量子计算设备的工作性能。

附图说明

通过下面结合附图进行的描述，本发明的上述目的和特点将会变得更加清楚。

图1示出了根据本发明的示例性实施例的离子阱装置的整体结构的示意图。

图2示出了根据本发明的示例性实施例的离子阱装置的整体结构的爆炸图。

图3示出了根据本发明的示例性实施例的由针形离子阱组件形成的电磁场的示意图。

具体实施方式

下面，将参照附图来详细说明本发明的实施例。

图1示出了根据本发明的示例性实施例的离子阱装置的整体结构的示意图。图2示出了根据本发明的示例性实施例的离子阱装置的整体结构的爆炸图。

参照图1和图2，根据本发明的示例性实施例的离子阱装置至少可包括法兰101、离子囚禁组件102、微粒提供组件103、物镜探测组件104和腔体（未示出）。

在图1和图2示出的离子阱装置中，离子囚禁组件102可用于囚禁离子；微粒提供组件103可用于向离子囚禁组件102提供待囚禁离子；物镜探测组件104可用于收集囚禁在离子囚禁组件102中的离子发出的荧光；腔体可罩住设置在法兰101与腔体的开口结合的一端上的离子囚禁组件102、微粒提供组件103和物镜探测组件104，以将离子囚禁组件102、微粒提供组件103和物镜探测组件104密封在腔体内部的真空环境中，其中，物镜探测组件104收集到的荧光可经由腔体内部的自由空间从物镜探测组件104中的物镜的出光口传送至设置在腔体上的视窗，随后经由腔体外部的自由空间从视窗传送至设置在腔体外部的成像系统或光子探测系统（未示出）。

在这种离子阱装置中，萤光的收集可在腔体内部完成，这样可缩短物镜与离子囚禁区域之间的距离，提升光子的收集效率，并且还可降低收集到的光子在从物镜传输至成像系统或光子探测系统期间发生的光损耗。特别是，光子在经由腔体内部的自由空间从物镜传输至视窗期间发生的损耗被降至最低，这是因为腔体内部的自由空间为真空环境，而光子在真空中传输不会有能量损耗。

因此，这种离子阱装置不仅能够为离子阱提供其工作时所需的真空环境，而且还能够进一步提升离子阱的光子收集效率，此外，还能够降低收集到的光子在传输至成像系统或光子探测系统期间的能量损耗，这为后续的测量和研究提供了足够充分的数据。

另外，为了向离子阱装置内的部分组件提供其在工作时所需的电流，需要在确保离子阱装置的真空气密性的同时向腔体内引入电气走线，在图1和图2示出的离子阱装置中，法兰101未与腔体的开口结合的另一端上可设置有一个或多个贯通至腔体内部的馈通法兰105，馈通法兰105可将用于在离子囚禁组件102中产生电磁场的射频电流和直流电流、用于在微粒提供组件103中产生待囚禁离子的加热电流以及用于调整物镜探测组件104中的物镜106的姿态以使物镜106的进光口对准离子囚禁组件102的离子囚禁区域的驱动电流分别传送至离子囚禁组件102、微粒提供组件103和物镜探测组件104。

在图1和图2示出的离子阱装置中，离子囚禁组件102为针极离子阱组件，但是本发明并不限于此，离子囚禁组件102也可以是其他类型的离子阱组件，例如，四级杆离子阱组件、刀片离子阱组件等，只要能够将离子囚禁在其中即可。

在图1和图2示出的离子阱装置中，针极离子阱组件可包括相对布置的两组针极，每组针极包括间距相同且相互平行的三根针极，三根针极在同一平面内且三根针极的针尖平齐，其中，三根针极中的中间针极接入射频电流，三根针极中的两侧针极分别接入直流电流。因此，在这种针极离子阱组件中，离子囚禁区域可介于两组针极中的一组针极的中间针极与两组针极中的另一组针极的中间针极之间。当两组针极分别连通射频电流和直流电流时，离子可被囚禁在该区域中。为确保离子能够被稳定地限制在该区域内，两组针极中的一组针极的中间针极可与两组针极中的另一组针极的中间针极同轴，并且两组针极中的一组针极所在的平面可垂直于两组针极中的另一组针极所在的平面。

图3示出了根据本发明的示例性实施例的由针形离子阱组件形成的电磁场的示意图。

参照图3，可以看出，在两组针极中的一组针极的中间针极与两组针极中的另一组针极的中间针极保持同轴并且两组针极中的一组针极所在的平面垂直于两组针极中的另一组针极所在的平面的情况下，经由射频电流和直流电流产生的电磁场可具备良好的对称性。在这种电磁场的作用下，离子的受力更均匀，这样可使得囚禁的离子更具稳定性。

另外，在图1和图2示出的离子阱装置中，针极离子阱组件还可包括针极支架、直流滤波板和绝缘板。针极支架可由奥氏体不锈钢材料制成，针极支架可包括底板和立柱，底板可通过紧固件（诸如，但不限于，螺钉）固定在法兰101的端面上，以使整个离子囚禁组件102固定在法兰101上。此外，底板上还形成有多个过线槽，用于布置线缆传输射频电流和直流电流、加热电流以及驱动电流，这样可使得腔体内部的电气走线更加安全可靠，有效避免电气走线对光的遮挡。此外，底板上还形成有位移台安装槽，用于固定物镜探测组件104。针极支架的两个立柱对称布置，用于安装两组针极、直流滤波板和绝缘板。针极支架的立柱的顶部形成为45°的斜面，用于使同组的三根针极所在的平面与水平面成45°。此外，针极离子阱组件还可包括针极固定座，针极固定座可由陶瓷制成，以避免针极之间发生短路。针极固定座上设置有间距相同的三个孔径与针极直径适配的小孔，用于确保三根针极的平行度和轴共面性，针极固定座安装于针极支架的顶部的斜面上。此外，针极离子阱组件还可包括针极压块， 针极压块可直接地固定在针极支架上，用于固定针极的位置。针极的尾部均设置有接线端子，用于连接射频线缆或直流线缆。绝缘板可设置在针极支架的立柱内侧，其可由陶瓷制成，用于对原子炉108与针极支架进行绝缘隔离，防止短路。绝缘板上还可设置有线缆固线夹，用于固定线缆，增加安全性和可靠性。直流滤波板可设置在针极支架立柱的外侧，其可由陶瓷基底印刷电路板工艺制成，其上可设置有滤波电路，直流电流在流入到相应的针极之前，可先经过直流滤波板进行高频噪声的滤波处理，然后再流入相应的针极。

在图1和图2示出的离子阱装置中，物镜探测组件104可包括一个或多个物镜106，每个物镜106配置有相应的位移台107，驱动电流驱动位移台107调整相应的物镜106的姿态以使相应的物镜106的进光口对准离子囚禁区域。

在图1和图2示出的离子阱装置中，物镜探测组件104还可包括物镜压环、物镜支架和物镜安装板，可使用物镜压环将物镜106固定在物镜支架上，物镜支架可固定在位移台107上，位移台107可采用具有纳米级的分辨率、超高真空兼容的压电陶瓷微距位移台，设置在腔体外部的控制器可通过电连接对这种位移台的位移量进行控制，从而带动物镜106进行xyz三个维度的精确调节。位移台107可固定在物镜安装板上，物镜安装板可将物镜探测组件104整套组件安装针极支架底板上。

在图1和图2示出的离子阱装置中，物镜106可采用诸如，但不限于，高NA值物镜。作为物镜的主要技术指标，NA值越大，物镜所收集的光子越多。

在图1和图2示出的离子阱装置中，微粒提供组件103可包括原子炉108，原子炉108可为一端开口一端密封的金属管，金属管内可填充有用于产生待囚禁离子的微粒。加热电流可流过金属管，使得金属管内填充的微粒因导电受热而转换成原子蒸汽，原子蒸汽可作为待囚禁离子经由开口喷射至离子囚禁区域。

在图1和图2示出的离子阱装置中，微粒提供组件103还可包括原子炉基座和原子炉支架。原子炉基座可由陶瓷材料制成，其可固定在针极支架底板上，用于支撑和固定整个微粒提供组件103，同时可将上方的金属结构与下方的针极支架进行电气隔离，原子炉支架可由不锈钢材料制成，其固定在原子炉基座上方，其上可设置有两个对称的倾斜向上的小孔，用于安装原子炉108。原子炉108或金属管的两端可设置有接线端子，作为示例，设置在原子炉108的密封端处的接线端子用于连通电流的正极，原子炉108的开口端可经由原子炉支架上的小孔固定在原子炉支架上，设置在原子炉108的开口端处的接线端子用于连通电流的负极。

在图1和图2示出的离子阱装置中，对称地设置了两个原子炉108，但本发明并不限于此，根据需要，还可以设置更多原子炉，这样可以填充不同种类的材料，以实现不同离子的加载囚禁。原子炉108的开口端对准针极阱的囚禁区域。

在图1和图2示出的离子阱装置中，各种工作电流可分别通过集成在馈通法兰中的原子炉电气接口、直流电气接口、射频电气接口和位移台电气接口提供给腔体内部中相应的组件。原子炉电气接口可与原子炉电源馈通密封连接，原子炉电源馈通可包括若干电芯，分别通过线缆与原子炉的两个接线端子连接，以向原子炉提供用于加热的加热电流。直流电气接口可与直流馈通密封连接，直流馈通也可包括若干电芯，一路电芯可分别通过线缆与直流滤波板的直流接线端连接，与此同时，另一路电芯可与直流滤波板的接地端连接，以向相应的针极提供直流电流。射频电气接口可与射频馈通密封连接，射频馈通可包括两个电芯，分别通过线缆与相应的针极尾部的接线端子连接，并且射频馈通到两个射频电极的距离完全一致，这使得两个射频信号的传输路径的长度完全一致，避免了两路射频信号的传输阻抗和相位不一致的问题。位移台电气接口可与位移台电源馈通密封连接，位移台电源馈通可包括多芯D形接口，通过集成排线与各个位移台连接，用于向位移台出控制信号，进行物镜焦距和准直度的调节校准。

相比于现有技术，根据本发明的示例性实施例的离子阱装置具备诸多优点，诸如，将离子囚禁组件、微粒提供组件、物镜探测组件与法兰接口进行了集成设计，使得这些组件可直接地与真空腔体对接，大大简化了安装和维护；物镜探测组件与离子囚禁组件的整合使得物镜探测组件能够在真空腔内近距离地收集光子，大大提高了光子收集效率；另外，集成的电气接口设计和内部走线标准化设计，提高了离子阱装置的整体可靠性。

因此，根据本发明的示例性实施例的离子阱装置能够为量子计算设备提供更加稳定、可靠的工作性能，因此，可将本发明的示例性实施例的离子阱装置应用于量子计算设备中，量子计算设备可通过这种离子阱装置实现量子比特的存储、操作和控制以及各种量子计算等，以进一步提升量子计算设备的工作可靠性。

尽管已参照优选实施例表示和描述了本申请，但本领域技术人员应该理解，在不脱离由权利要求限定的本申请的精神和范围的情况下，可以对这些实施例进行各种修改和变换。

Claims (11)

1.一种离子阱装置，其特征在于，包括：

法兰；

离子囚禁组件，用于囚禁离子；

微粒提供组件，用于向所述离子囚禁组件提供待囚禁离子；

物镜探测组件，用于收集囚禁在所述离子囚禁组件中的离子发出的荧光；

腔体，罩住设置在所述法兰与所述腔体的开口结合的一端上的所述离子囚禁组件、所述微粒提供组件和所述物镜探测组件，以将所述离子囚禁组件、所述微粒提供组件和所述物镜探测组件密封在所述腔体内部的真空环境中，

其中，所述物镜探测组件收集到的荧光经由所述腔体内部的自由空间从所述物镜探测组件中的物镜的出光口传送至设置在所述腔体上的视窗，随后经由所述腔体外部的自由空间从所述视窗传送至设置在所述腔体外部的成像系统或光子探测系统。

2.根据权利要求1所述的离子阱装置，其特征在于，所述法兰未与所述腔体的开口结合的另一端上设置有一个或多个贯通至所述腔体内部的馈通法兰，所述馈通法兰将用于在所述离子囚禁组件中产生电磁场的射频电流和直流电流、用于在所述微粒提供组件中产生待囚禁离子的加热电流以及用于调整所述物镜的姿态以使所述物镜的进光口对准所述离子囚禁组件的离子囚禁区域的驱动电流分别传送至所述离子囚禁组件、所述微粒提供组件和所述物镜探测组件。

3.根据权利要求2所述的离子阱装置，其特征在于，所述离子囚禁组件为针极离子阱组件。

4.根据权利要求3所述的离子阱装置，其特征在于，所述针极离子阱组件包括相对布置的两组针极，每组针极包括间距相同且互相平行的三根针极，并且三根针极在同一平面内且三根针极的针尖平齐，其中，三根针极中的中间针极接入所述射频电流，三根针极中的两侧针极分别接入所述直流电流。

5.根据权利要求4所述的离子阱装置，其特征在于，两组针极中的一组针极的中间针极与两组针极中的另一组针极的中间针极同轴，并且两组针极中的一组针极所在的平面垂直于两组针极中的另一组针极所在的平面。

6.根据权利要求4所述的离子阱装置，其特征在于，所述离子囚禁区域介于两组针极中的一组针极的中间针极与两组针极中的另一组针极的中间针极之间。

7.根据权利要求2所述的离子阱装置，其特征在于，所述物镜探测组件包括一个或多个物镜，每个物镜配置有相应的位移台，所述驱动电流驱动所述位移台调整相应的物镜的姿态以使相应的物镜的进光口对准所述离子囚禁区域。

8.根据权利要求1所述的离子阱装置，其特征在于，所述物镜为高NA值物镜。

9.根据权利要求2所述的离子阱装置，其特征在于，所述微粒提供组件包括一个或多个原子炉，所述原子炉为一端开口一端密封的金属管，所述金属管内填充有用于产生待囚禁离子的微粒。

10.根据权利要求9所述的离子阱装置，其特征在于，所述加热电流流过所述金属管，使得所述金属管内填充的微粒因导电受热而转换成原子蒸汽，所述原子蒸汽作为待囚禁离子经由所述开口喷射至所述离子囚禁区域。

11.一种量子计算设备，其特征在于，包括：

权利要求1至10中任意一项所述的离子阱装置。