CN117852663A - 离子寻址装置及离子阱量子计算机 - Google Patents

离子寻址装置及离子阱量子计算机 Download PDF

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CN117852663A CN202410257266.8A CN202410257266A CN117852663A CN 117852663 A CN117852663 A CN 117852663A CN 202410257266 A CN202410257266 A CN 202410257266A CN 117852663 A CN117852663 A CN 117852663A
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Abstract

本申请公开了离子寻址装置及离子阱量子计算机。离子寻址装置包括：衍射分束器；第一透镜组用于将衍射分束器分束出的多束光汇聚到多通道声光调制器；多通道声光调制器，汇聚到多通道声光调制器的多束光中的相邻两束光的光斑之间的间距与线性排布的多个通道中的相邻两个通道之间的间距一致；第二透镜组用于对经由多通道声光调制器调制后输出的多束光进行放大；消色差双胶合透镜用于将放大后的多束光准直为平行光；间隔式聚焦镜用于将准直后的多束光分别聚焦到囚禁在离子阱中线性排布的多个离子上，聚焦到离子阱的多束光中的相邻两束光的光斑之间的间距与线性排布的多个离子中的相邻两个离子之间的间距一致。本申请实现了对多个量子比特的精准操控。

Description

离子寻址装置及离子阱量子计算机
技术领域
本申请涉及量子计算机技术领域，尤其涉及用于离子阱量子计算机的离子寻址装置以及包括该离子寻址装置的离子阱量子计算机。
背景技术
在本领域，量子计算机的研究和开发正在加速进行。量子计算机的实现依赖于量子比特（qubit，或称量子位）的制备和操控。不同于经典比特只能表示0或1，量子比特可以处于0和1的叠加态，允许并行计算。量子比特可以通过“纠缠”与其他比特相关联，使得计算过程具有更高的并行性和计算能力。
在基于离子阱的量子计算机技术中，为了执行这些量子门和量子算法，通常需要单独操控多个量子比特，因此需要构建能够控制多个量子比特的离子寻址装置来实现离子阱量子计算机的执行。
发明内容
有鉴于此，本申请实施例提供用于离子阱量子计算机的离子寻址装置以及包括该离子寻址装置的离子阱量子计算机，以解决至少一种技术问题。
本申请实施例提供的离子寻址装置包括：衍射分束器，用于从光源发出的光中分束出线性排布的多束光；第一透镜组，用于将衍射分束器分束出的多束光汇聚到多通道声光调制器；多通道声光调制器，用于将汇聚到多通道声光调制器的多束光分别接收到多通道声光调制器中线性排布的多个通道中分别进行调制，其中，汇聚到多通道声光调制器的多束光中的相邻两束光的光斑之间的间距与线性排布的多个通道中的相邻两个通道之间的间距一致；第二透镜组，用于对经由多通道声光调制器调制后输出的多束光进行放大；消色差双胶合透镜，用于将放大后的多束光准直为平行光；间隔式聚焦镜，用于将准直后的多束光分别聚焦到囚禁在离子阱中线性排布的多个离子上，其中，聚焦到离子阱的多束光中的相邻两束光的光斑之间的间距与线性排布的多个离子中的相邻两个离子之间的间距一致。
可选地，汇聚到多通道声光调制器的多束光中的每束光的光斑大小符合多通道声光调制器的通道感光范围，聚焦到离子阱的多束光中的每束光的光斑大小符合艾里斑大小。
可选地，衍射分束器、第一透镜组、多通道声光调制器、第二透镜组、消色差双胶合透镜和间隔式聚焦镜共轴设置。
可选地，所述调制包括对光的频率、相位和振幅中的至少一者的调制。
可选地，离子寻址装置还包括：设置在光源与衍射分束器之间的一个或多个反射镜，用于将光源发出的光反射至衍射分束器。
可选地，离子寻址装置还包括：设置于第二透镜组与消色差双胶合透镜之间的负弯月透镜，用于消除因所述共轴存在偏差而引起的部分像差或全部像差。
可选地，所述第一透镜组包括相邻设置的第一平凸透镜和第二平凸透镜。
可选地，所述放大包括两级放大。
可选地，所述第二透镜组包括相邻设置的第一级放大透镜组和第二级放大透镜组，所述两级放大包括所述第一级放大透镜组的第一级放大和所述第二级放大透镜组的第二级放大。
可选地，所述第一级放大透镜组包括依次相邻设置的两个平凸透镜和一个平凹透镜。
可选地，所述第二级放大透镜组包括相邻设置的一个平凸透镜和一个平凹透镜。
可选地，所述多束光经所述多通道声光调制器产生多级衍射阶，所述多级衍射阶中的一者用于所述调制。
可选地，汇聚到多通道声光调制器的多束光中的相邻两束光的光斑之间的间距在800µm至950µm之间；和/或，汇聚到多通道声光调制器的多束光中的每束光的光斑的直径在90µm至135µm之间。
可选地，聚焦到离子阱的多束光中的相邻两束光的光斑之间的间距在3µm至12µm之间；和/或，聚焦到离子阱的多束光中的每束光的光斑的直径在1µm至5µm之间。
可选地，所述多个离子中包括以下离子中的至少一种：镱离子、钙离子、钡离子。
本申请实施例还提供的离子阱量子计算机包括如上所述的离子寻址装置。
本申请提供的离子寻址装置及离子阱量子计算机能够实现对多个量子比特的精准操控，以及基于多个量子比特的量子门操作及量子算法的执行。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，以下对本申请实施例中的附图作简单介绍。
图1是本申请实施例的离子寻址装置的结构示意图。
图2是光束经声光调制器生成衍射光阵列的效果示意图。
图3是本申请实施例的离子寻址装置的另一结构示意图。
图4是本申请实施例的离子寻址装置的光路系统在模拟软件中的三维布局示意图。
图5是本申请实施例的多通道AOM处的光斑间距及大小的示意图。
图6是本申请实施例的阱中心离子处的光斑间距及大小的示意图。
图7是本申请实施例的171Yb+离子的能级示意图。
图8是本申请实施例的三能级构型的171Yb+离子及激光相互作用的受激拉曼跃迁的示意图。
具体实施方式
以下参考本申请的若干示例性或代表性实施方式，详细阐释本申请的原理和精神。
参考图1，本申请的实施例提供一种离子寻址装置，其包括：衍射分束器101、第一透镜组102、多通道声光调制器103、第二透镜组104、消色差双胶合透镜105和间隔式聚焦镜106。
衍射分束器101用于从光源10发出的光中分束出线性排布的多束光。
第一透镜组102用于将衍射分束器101分束出的多束光汇聚到多通道声光调制器103。
多通道声光调制器103用于将汇聚到多通道声光调制器103的多束光分别接收到多通道声光调制器103中线性排布的多个通道中分别进行调制，其中，汇聚到多通道声光调制器103的多束光中的相邻两束光的光斑之间的间距与线性排布的多个通道中的相邻两个通道之间的间距一致。
第二透镜组104用于对经由多通道声光调制器103调制后输出的多束光进行放大。
消色差双胶合透镜105用于将放大后的多束光准直为平行光。
间隔式聚焦镜106用于将准直后的多束光分别聚焦到囚禁在离子阱中线性排布的多个离子20上，其中，聚焦到离子阱的多束光中的相邻两束光的光斑之间的间距与线性排布的多个离子20中的相邻两个离子之间的间距一致。
利用本申请的实施例，衍射分束器101可从光源10中分束出线性排布的多束光，多束光通过第一透镜组102可汇聚到多通道声光调制器103，并分别进入多通道声光调制器103中线性排布的多个通道中，以在各个通道中分别进行调制，其中，为提升调制效果，分束出的多束光中相邻两束光的光斑之间的间距与多通道声光调制器103中相邻两通道之间的间距应一致，经调制后输出的多束光进入第二透镜组104进行放大，再通过消色差双胶合透镜105准直为平行光，之后进入间隔式聚焦镜106聚焦至囚禁在离子阱中的线性排布的多个离子20上，其中，聚焦到多个离子20上的多束光中相邻两束光的光斑之间的间距与多个离子20中相邻两离子之间的间距一致，由此实现离子寻址。
本申请实施例的实现过程涉及多光束聚焦分析设计以及光学元器件的选型，按照本申请的实施例构建离子寻址光路系统，可用于实现对单量子比特的操控，基于此可实现单量子比特及多量子比特的量子门操作及量子算法的执行，在此基础上能够实现对离子阱量子计算机的执行和控制。
在本申请的实施例中，可选地，为确保调制效果，汇聚到多通道声光调制器103的多束光中的每束光的光斑大小需符合多通道声光调制器103的通道感光范围；为确保寻址效果，聚焦到离子阱的多束光中的每束光的光斑大小需符合艾里斑大小。
在本申请的实施例中，可选地，衍射分束器101、第一透镜组102、多通道声光调制器103、第二透镜组104、消色差双胶合透镜105和间隔式聚焦镜106共轴设置，以构成所需的离子寻址装置。
在本申请的实施例中，可选地，多通道声光调制器103进行的调制包括对光的频率、相位和振幅中的至少一者的调制，以使调制后的光束的频率、相位和振幅中的至少一者达到系统要求。
其中，关于声光调制器（acousto-optic modulator，AOM），是利用声光效应将信息加载于光频载波上的装置，参考图2，一束光经过声光调制器AOM产生的衍射光阵列可包括例如5个不同级的衍射阶。以正一级衍射阶为例，正一级衍射阶的光束相对于原光束出现一个频率的偏移。假设原光束的频率为1000MHz，经过AOM后正一级衍射阶的光束频率为1200MHz，说明施加在AOM上的射频（RF）频率为200MHz。多通道声光调制器即多通道AOM允许多通道调制和多通道光束偏转。
在本申请的实施例中，可选地，参考图1，离子寻址装置中还可包括设置在光源10与衍射分束器101之间的一个或多个反射镜107，用于将光源10发出的光反射至衍射分束器101。
作为示例，图3实施例中示出包括2个反射镜107的情形，2个反射镜107以合适的角度布置，使得光源10发出的光经第一个反射镜107反射后到达第二个反射镜107，经第二个反射镜107反射后进入衍射分束器101。
在本申请的实施例中，可选地，参考图1和图3，离子寻址装置中还可包括设置于第二透镜组104与消色差双胶合透镜105之间的负弯月透镜108，用于消除因共轴存在偏差而引起的部分像差或全部像差。负弯月透镜也可称为负焦距弯月透镜，包括两个曲率半径相近的曲面（一个凸面和一个凹面）。光束传播过程中若光源10的光轴与系统光轴不一致则可能引起像差，通过设置负弯月透镜108可用来消除至少一部分像差，提升离子寻址装置的精确度。
其中，关于消色差双胶合透镜，其是由正低折射率和负高折射率两种光学组件胶合而成的透镜，利用两种类型玻璃的色散属性，使得色散相互补偿，达到消色差的目的。另外，关于间隔式聚焦镜，其通过在两个镜片之间留有一定间隔，来减少透镜表面的反射和散射，从而提高聚焦效果。
在本申请的实施例中，可选地，参考图1和图3，第一透镜组102包括相邻设置的第一平凸透镜1021和第二平凸透镜1022。使用两个平凸透镜将衍射分束器101分光后的光束汇聚到多通道声光调制器103中，两个平凸透镜的焦距、尺寸等可根据系统需要进行选择。
在本申请的实施例中，可选地，放大包括两级放大，也即第二透镜组104对多通道声光调制器103输出的光束实施两级放大。
例如，第二透镜组104包括相邻设置的第一级放大透镜组和第二级放大透镜组，两级放大包括第一级放大透镜组的第一级放大以及第二级放大透镜组的第二级放大。
作为示例，参考图3，第一级放大透镜组和第二级放大透镜组分别如下。各个透镜的焦距、尺寸等可根据系统需要进行选择。其中，第一级放大透镜组包括依次相邻设置的两个平凸透镜1041和1042，以及一个平凹透镜1043。第二级放大透镜组包括相邻设置的一个平凸透镜1044和一个平凹透镜1045。
在本申请的实施例中，可选地，多束光经多通道声光调制器103产生多级衍射阶，多级衍射阶中的一者用于调制。
作为示例，调制时，线性排布的多束光中的每个光束经多通道声光调制器103调制可生成多级衍射阶，不同衍射阶的频率偏移量不同，选取与目标频率一致的同一级衍射阶，可构成新的光束阵列，例如选取正一级衍射阶作为新的光束阵列（当然也可以根据需求选取负一级、零级、正负二级衍射阶），实现对多束光的调制。
在本申请的实施例中，作为非限制性示例，关于汇聚到多通道声光调制器103的多束光中相邻两束光的光斑间距，可使得汇聚到多通道声光调制器103的多束光中的相邻两束光的光斑之间的间距在800µm至950µm之间，使得汇聚到多通道声光调制器103的多束光中的每束光的光斑的直径在90µm至135µm之间，以确保分束出的多束光分别进入到多通道声光调制器103中相应的通道中分别进行调制。
在本申请的实施例中，作为非限制性示例，关于聚焦到离子阱的多束光中相邻两束光的光斑间距，可使得聚焦到离子阱的多束光中的相邻两束光的光斑之间的间距在3µm至12µm之间，使得聚焦到离子阱的多束光中的每束光的光斑的直径在1µm至5µm之间，以确保调制后的多束光分别分别聚焦到离子阱中的多个离子上。
在本申请的实施例中，可选地，多个离子中包括但不限于镱离子、钙离子、钡离子中的至少一种。
对于不同离子，构建光路系统时可根据离子属性选择相适应的器件镀膜以及适用的波长。通过对整个离子寻址装置的系统装配进行公差分析，结果表明，光束阵列经过离子寻址装置中的一系列光学元件之后，能够达到离子寻址的实验要求。
基于本申请的以上至少一个实施例，构建的离子寻址装置中光束由射频驱动的多通道AOM单独控制，则操作时通过调制适当的寻址光束，理论上可实现任何单量子比特或多量子比特的门操作，例如可执行单量子比特的旋转门（R-gate）、双量子比特的纠缠门（XX-gate）等等。
基于本申请实施例的离子寻址装置可实现对单量子比特的操控，基于此可实现对单量子比特或多量子比特的量子门及量子算法的执行，最终可实现对离子阱量子计算机的执行和控制。
为提升离子寻址装置中的光路整体稳定性，使其更符合量子操控对器件及空间环境的要求，在本申请的实施例中，可选地，离子寻址装置还可包括刚性腔室，参考图3，反射镜107、衍射分束器101、第一平凸透镜1021、第二平凸透镜1022、多通道声光调制器103、平凸透镜1041、平凸透镜1042、平凹透镜1043、平凸透镜1044、平凹透镜1045、负弯月透镜108和消色差双胶合透镜105位于刚性腔室（图3中示出的矩形方框）中。光源10和间隔式聚焦镜106位于刚性腔室外。
例如，可通过胶粘方式将光学元件固定在刚性腔室中，还可使用套筒将光学元件连接安装在一起，然后固定在刚性腔室中。刚性腔室作为外围的壳体可以保护光学元件，将光学器件集成在腔体内部（例如可利用不锈钢壳体形成腔室），一方面可以免除常规的压板、立柱等分别固定的复杂结构，另一方面实际上使光路系统形成了整体的模块化设计，集成度好，可节约光学平台的空间，便于短距离移动和长距离搬运，确保系统结构和性能稳定，更符合量子计算相关实验和研究应用场合，尤其适用于基于离子阱量子计算的实验和量子模拟中。
可选地，对于刚性腔室的设计，可根据腔室内的光学器件进行具体设置，例如，可在刚性腔室的壁面上开设一个或多个开口（图3未示出），供多通道声光调制器103的外接线缆或管路通过。
进一步，在本申请的实施例中，可选地，刚性腔室的内部经设置能够进行控温，以使离子寻址装置整体与量子比特操作所需要的低温环境相适应。
本申请实施例的实现过程属于多光束聚焦分析设计以及光学元器件的选型，按照本申请提供的至少一个实施例可构建模块化离子寻址装置，系统整体设计科学合理，利用多种类型的光学元器件和透镜，将大部分光学元器件整体设置在一刚性腔室内部，形成集成度高、模块化的寻址装置，整个装置符合单离子寻址的实验要求，可用于实现量子比特操控，因此其不仅可作为离子阱量子计算机的单离子寻址光路系统，还可以应用于有此相关需求的多类型科研任务中，为实现量子计算机的执行和控制奠定可靠基础。
为达到离子寻址的实验条件，可选地，可使得汇聚到多通道声光调制器的多束光中相邻两束光的光斑之间的间距在850µm至950µm之间，使得汇聚到多通道声光调制器的多束光中每束光的光斑直径在105µm至130µm之间；此外，还可使得聚焦到离子阱的多束光中相邻两束光的光斑之间的间距在3µm至9µm之间，使得聚焦到离子阱的多束光中每束光的光斑直径在1µm至4µm之间。
以上通过多个实施例描述了本申请实施例的离子寻址装置以及模块化离子寻址装置的实现方式。以下基于具体的例子，详细描述本申请实施例的具体操作过程。
为方便理解，描述以下具体实施例时，仍将参考图3所示的装置结构，应当理解，以下将列出的光学元器件的种类、型号、参数等内容，均为本文中给出的具体实施例使用的种类、型号、参数，在本申请的其他实施例中，当然可以选用其他种类、型号、参数等的光学元器件，只要符合离子寻址装置的光路系统要求即可。作为示例，图3实施例采用的光学元器件的种类及型号等如下。
光源10可采用例如，但不限于，型号为Paladin Compact 355-4000的355nm全固态锁模紫外激光器。
反射镜107可采用例如，但不限于，镀膜波长为350-400nm的45度反射镜。
衍射分束器101可采用例如，但不限于，型号为MS-385-U-Y-A的1分6的衍射光学元件。
平凸透镜1021可采用例如，但不限于，型号为LA4579-UV的透镜，该透镜由紫外熔融石英制成，直径为Ø1英寸，焦距为300mm，并覆盖有245-400nm波段的增透膜。
平凸透镜1022可采用例如，但不限于，型号为LA4579-UV的透镜，该透镜由紫外熔融石英制成，直径为Ø1英寸，焦距为300mm，并覆盖有245-400nm波段的增透膜。
多通道声光调制器103可采用例如，但不限于，型号为AOMC 250/16的光学器件。
平凸透镜1041可采用例如，但不限于，型号为LA1708-A N-BK7的透镜，该透镜的直径为Ø1英寸，焦距为200mm，并覆盖有350-700 nm波段的增透膜。
平凸透镜1042可采用例如，但不限于，型号为LA1464-A N-BK7的透镜，该透镜的直径为Ø1英寸，焦距为1000mm，并覆盖有350-700nm波段的增透膜。
定制平凹透镜1043可采用例如，但不限于，JGS1材料制成，该透镜的尺寸25.4mm+0/-0.1，中心厚度为3mm±0.03，双面镀覆有R<0.3%@355nm波段的增透膜，面型光圈为3(0.5)，中心偏3分，曲率为-20mm，并且在355nm波长下的焦距为-42.011mm。
平凸透镜1044可采用例如，但不限于，型号为LA4158-UV的透镜，该透镜由紫外熔融石英制成，直径为Ø1英寸，焦距为250mm，并覆盖有245-400nm波段的增透膜。
定制平凹透镜1045可采用例如，但不限于，JGS1材料制成，该透镜的尺寸为25.4mm+0/-0.1，中心厚度为3.5±0.03，并覆盖有R<0.3%@355nm波段的增透膜，面型光圈为3(0.5)，中心偏3分，曲率为-19.5mm，并且在355nm波长下的焦距为-40.96mm。
负弯月透镜108可采用例如，但不限于，型号为LF4706-UV的透镜，该透镜由紫外熔融石英制成，直径为Ø1英寸，焦距为-500.0mm，并覆盖有245-400nm波段的增透膜。
消色差双胶合透镜105可采用例如，但不限于，型号为ACT508-300-A的透镜，该透镜的直径为Ø2英寸，焦距为300mm，并覆盖有400-700 nm波段的增透膜。
间隔式聚焦镜106可采用例如，但不限于，型号为355nmFL47Q的透镜，该透镜的有效焦距约为47mm。
图3所示的不锈钢腔室的内部设置有制热/制冷器件以对其内部进行控温，此外，图3所示的不锈钢腔室的侧壁和/或底部还设置有一个或多个孔以引入多通道声光调制器103的水冷管以及射频信号的输入/输出线缆，为多通道声光调制器103供给RF信号。不锈钢腔室的尺寸需能够稳定容纳模块化的寻址光路，光学元件镜片可固定在腔体中，或者，以套筒连接光学元件后固定在腔体内。
对于本申请的实施例，在实施之前，可利用软件（如Zemax软件）对整个光路进行模拟分析，参考图4，示意性地示出了图3实施例的软件模拟的三维布局图，光学元件都在同一光轴上。图5和图6分别为多通道声光调制器103处及阱中心离子处的镜头数据。通过模拟分析，发现在多通道声光调制器103处的光斑间距以及大小能够满足多通道声光调制器103对于光斑的要求，具体地，光斑之间的间距约在900微米（µm），光斑的几何半径约在60µm左右，如图5所示。通过优化两个平凹透镜的曲率半径，可在离子处得到较优的光斑几何半径以及间距，小于艾里斑的半径大小（这也说明整个系统的设计已接近衍射极限）。最终光斑之间的间距约在6µm，光斑的几何半径约在1µm左右，如图6所示。紧接着再做整个系统装配的公差分析，结果表明，该系统有90%以上的几率已达到单离子寻址的实验要求。基于此，在离子阱量子计算和量子模拟的研究中，这种模块化离子寻址装置可以应用于任何相关需求的科研任务中。
以下简要描述本申请实施例的工作过程，为方便理解，仍以图3为例进行描述，应当理解，在本申请的其他实施例中，采取相同或相似的作业方式。
首先，355nm拉曼光束通过衍射分束器101分束成拉曼光束阵列，该光束阵列通过平凸透镜1021和平凸透镜1022形成等间距光束阵列（间距为900µm，光束直径为120µm），以便能够匹配多通道声光调制器103的要求。接着，光束阵列通过多通道声光调制器103调制成正一级衍射阶的新光束阵列，然后经过两级放大，其中平凸透镜1041、平凸透镜1042和定制平凹透镜1043组成第一级放大，平凸透镜1044和定制平凹透镜1045组成第二级放大，其中负弯月透镜108用来改善系统像差，两级放大后通过消色差双胶合透镜105将光束准直成平行光，最终通过间隔式聚焦镜106将光束聚焦到离子链上（最终的光束间距为6µm，光束直径为2µm）。
为了更清楚，本申请还额外提供了具体搭建图3实施例且目标离子为171Yb+离子时，可能用到的其他参数。
衍射分束器101到平凸透镜1021的前表面距离为90nm，平凸透镜1021的厚度为2.58mm。
平凸透镜1021的后表面到平凸透镜1022的前表面距离为170.326mm，平凸透镜1022的厚度为2.58mm。
平凸透镜1022到多通道声光调制器103的内部晶体的距离为131.523mm。
多通道声光调制器103的内部晶体到平凸透镜1041的前表面距离为64mm，平凸透镜1041的厚度为2.78mm。
平凸透镜1041的后表面到平凸透镜1042的前表面距离为25.573mm，平凸透镜1042的厚度为2.15mm。
平凸透镜1042的后表面到定制平凹透镜1043的前表面距离为97.119mm，定制平凹透镜1043的厚度为3mm。
定制平凹透镜1043的后表面到平凸透镜1044的前表面距离为170.05mm，平凸透镜1044的厚度为2.7mm。
平凸透镜1044的后表面到定制平凹透镜1045的前表面距离为60.75mm，定制平凹透镜1045的厚度为3.5mm。
定制平凹透镜1045的后表面到负弯月透镜108的前表面距离为1mm，负弯月透镜108的厚度为3.5 mm。
负弯月透镜108的后表面到消色差双胶合透镜105的前表面距离为260.39mm，消色差双胶合透镜105的厚度为8.4+7 mm。
消色差双胶合透镜105的后表面到间隔式聚焦镜106的前表面距离为40mm，间隔式聚焦镜106的有效焦距为47mm。
间隔式聚焦镜106的后表面到离子链的距离为32.689mm。
需要说明的是，上述用于搭建离子寻址装置的实施例仅仅是示意性的，本申请并不限于此，根据需要，还可使用上述参数以外的其他参数搭建离子寻址装置。
本申请的系统属于多光束聚焦分析设计和光学元器件的选型，具体涉及到用于离子阱量子计算机的离子寻址装置，应当理解，系统中各透镜的焦距以及间隔距离等等，可根据需求再进行设置和调节，不会影响离子寻址功能的实现。
本申请的以上至少一个实施例可用于构建不同类型的离子寻址装置，在离子阱量子计算机中，利用该离子寻址装置能够控制多个量子比特，进而可单独操控多个量子比特，进而执行相关的量子门和量子算法。为帮助理解，作为一种示例，图7示意性地示出了镱离子即171Yb+离子的能级结构的效果图，其中，基态2S1/2的(F=0;mF=0)和(F=1;mF=0)超精细能级，可形成一个量子比特，其中F是总角动量量子数，mF是总角动量在磁场方向上的投影（即磁量子数），Qubit能隙为12642812118:466+δz2 Hz，其中δz2=310.8×B2，是二阶磁场的塞曼频移，其中B是外加静磁场的强度。
进一步，作为示例，图8示意性示出了三能级构型的171Yb+离子与激光相互作用的受激拉曼跃迁的示意图。操作时，首先可利用光泵浦方法将离子初始化，之后利用355nm激光操纵离子的S和P能级，实现三能级构型的受激拉曼跃迁，可驱动离子的内态（自旋能级）和外态（声子能级）的耦合，通过以声子为媒介，可实现两量子比特的纠缠操作；然后，结合单量子比特的翻转操作，可实现一系列量子门；通过组合不同的量子门操作，可得到一系列量子算法。
应理解，本申请的保护范围并不局限于本文，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，能够想到一些等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本申请的保护范围之内。

Claims (16)

1.一种离子寻址装置，其特征在于，包括：
衍射分束器，用于从光源发出的光中分束出线性排布的多束光；
第一透镜组，用于将衍射分束器分束出的多束光汇聚到多通道声光调制器；
多通道声光调制器，用于将汇聚到多通道声光调制器的多束光分别接收到多通道声光调制器中线性排布的多个通道中分别进行调制，其中，汇聚到多通道声光调制器的多束光中的相邻两束光的光斑之间的间距与线性排布的多个通道中的相邻两个通道之间的间距一致；
第二透镜组，用于对经由多通道声光调制器调制后输出的多束光进行放大；
消色差双胶合透镜，用于将放大后的多束光准直为平行光；
间隔式聚焦镜，用于将准直后的多束光分别聚焦到囚禁在离子阱中线性排布的多个离子上，其中，聚焦到离子阱的多束光中的相邻两束光的光斑之间的间距与线性排布的多个离子中的相邻两个离子之间的间距一致。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，汇聚到多通道声光调制器的多束光中的每束光的光斑大小符合多通道声光调制器的通道感光范围，聚焦到离子阱的多束光中的每束光的光斑大小符合艾里斑大小。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，衍射分束器、第一透镜组、多通道声光调制器、第二透镜组、消色差双胶合透镜和间隔式聚焦镜共轴设置。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述调制包括对光的频率、相位和振幅中的至少一者的调制。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：
设置在光源与衍射分束器之间的一个或多个反射镜，用于将光源发出的光反射至衍射分束器。
6.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，还包括：
设置于第二透镜组与消色差双胶合透镜之间的负弯月透镜，用于消除因所述共轴存在偏差而引起的部分像差或全部像差。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一透镜组包括相邻设置的第一平凸透镜和第二平凸透镜。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述放大包括两级放大。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述第二透镜组包括相邻设置的第一级放大透镜组和第二级放大透镜组，所述两级放大包括所述第一级放大透镜组的第一级放大和所述第二级放大透镜组的第二级放大。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述第一级放大透镜组包括依次相邻设置的两个平凸透镜和一个平凹透镜。
11.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述第二级放大透镜组包括相邻设置的一个平凸透镜和一个平凹透镜。
12.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述多束光经所述多通道声光调制器产生多级衍射阶，所述多级衍射阶中的一者用于所述调制。
13.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，汇聚到多通道声光调制器的多束光中的相邻两束光的光斑之间的间距在800µm至950µm之间；和/或，汇聚到多通道声光调制器的多束光中的每束光的光斑的直径在90µm至135µm之间。
14.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，聚焦到离子阱的多束光中的相邻两束光的光斑之间的间距在3µm至12µm之间；和/或，聚焦到离子阱的多束光中的每束光的光斑的直径在1µm至5µm之间。
15.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述多个离子中包括以下离子中的至少一种：镱离子、钙离子、钡离子。
16.一种离子阱量子计算机，其特征在于，包括：权利要求1-15中任一项所述的离子寻址装置。
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Denomination of invention: Ion addressing device and ion trap quantum computer

Granted publication date: 20241227

Pledgee: Huaxia Bank Co.,Ltd. Hefei Economic and Technological Development Zone Branch

Pledgor: Guokaike Quantum Technology (Anhui) Co.,Ltd.

Registration number: Y2025980021537