CN216288304U - 一种低温离子阱系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于量子计算技术领域，提供一种低温离子阱系统，包括：底座、原子发生器、离子阱装置及盖板，所述离子阱装置罩装于所述底座，所述盖板封装所述离子阱装置，所述原子发生器安装在所述底座并与所述离子阱装置同轴；所述原子发生器具备用于原子发射的发射口，所述发射口正对所述离子阱装置的囚禁通道；所述离子阱装置产生囚禁电场，所述囚禁电场电离原子并将离子囚禁在所述囚禁通道。结构紧凑，功能完善，可靠性高，能够满足量子计算的各种实验需求；热负荷低，降低了系统对于冷量的需求，实现了低温刀片形离子阱的功能一体化；规避了走线杂乱导致的短路、断路等问题，给离子阱量子计算机的产品化提供了必要条件。

Description

一种低温离子阱系统

技术领域

本实用新型属于量子计算技术领域，尤其涉及一种低温离子阱系统。

背景技术

在量子计算领域，基于囚禁离子的离子阱技术是实现量力计算的主流技术路径之一，它采用冷却到基态的离子作为量子比特，通过激光进行量子比特的操控和读取，为了提高离子的囚禁稳定性，延长量子比特的相干时间，常常需要将离子阱放置于超高真空腔内。为了进一步减少气体分子对囚禁离子的碰撞，采用超低温技术将离子阱冷却到液氦温区已经在行业内得到应用。在液氦温区的离子阱一方面能够进一步提高真空腔的真空度，减少残余气体分子，另一方面能够降低离子晶体加热，提高离子晶体的持续时间，进而延长量子比特相干时间，大大提高量子逻辑门的保真度。

刀片型离子阱作为线性保罗阱的形式之一，具有囚禁电场稳定、离子可控性强、进光角度多等优点，在离子阱量子计算中得到广泛应用。但是刀片型离子阱与平面型离子阱相比，由于四个刀片电极需要三维立体空间分布，在超低温超高真空系统中难以实现紧凑化和一体化。同时各个刀片电极的电源引线难以进行平面布线，导致走线比较杂乱，容易引起短路。

因此，亟需一种低温离子阱系统，以解决刀片型离子阱在超低温超高真空系统中难以实现紧凑化和一体化的问题。

发明内容

为了解决上述技术问题，本实用新型提供一种低温离子阱系统，包括：底座、原子发生器、离子阱装置及盖板，所述离子阱装置罩装于所述底座，所述盖板封装所述离子阱装置，所述原子发生器安装在所述底座并与所述离子阱装置同轴；所述原子发生器具备用于原子发射的发射口，所述发射口正对所述离子阱装置的囚禁通道；所述离子阱装置产生囚禁电场，所述囚禁电场电离原子并将离子囚禁在所述囚禁通道。

可选地，所述原子发生器包括壳体以及安装在所述壳体内的原子源及加热器；所述发射口设置于所述壳体的一端，另一端通过封板封装；所述加热器加热所述原子源激发所述原子源发出原子，原子通过所述发射口射出所述壳体。

可选地，所述加热器具备接线柱，所述加热器通过所述接线柱连接到电源。

可选地，所述原子源采用钙、铯、铍及镱中的一种或多种金属制造。

可选地，所述原子源形成为柱体状。

可选地，所述离子阱装置具备阱壳体，所述阱壳体设置若干激光窗口，所述激光窗口用于激光进入所述阱壳体内部；所述阱壳体内部设置若干刀片架，所述刀片架相间地安装第一刀片及第二刀片；所述第一刀片连接到直流电源，所述第二刀片连接到射频信号，所述第一刀片及所述第二刀片合围形成所述囚禁通道。

可选地，所述激光窗口配置光学窗片，所述光学窗片采用熔融石英制造，所述光学窗片贴附增透膜。

可选地，所述第一刀片及所述第二刀片均采用陶瓷制造，表面镀导体层，所述导体层形成若干独立的极片，所述极片连接到所述直流电源或所述射频信号。

可选地，所述第一刀片及所述第二刀片的刀刃侧设置若干通槽。

可选地，所述第一刀片的前端配置滤波电容，所述滤波电容附着于所述刀片架，所述滤波电容的输出端连接所述第一刀片，所述滤波电容的输入端连接所述直流电源。

相比现有技术，本实用新型的低温离子阱系统有益效果在于：

1.实现了低温刀片形离子阱的功能一体化。

2.整体结构紧凑，集成了一层冷屏，使得外围真空腔的设计能够更加紧凑和集成化。

3.设置了丰富的进阱激光通道和物镜光学通道，能够满足量子计算的各种实验需求。

4.整体热负荷大大降低，由于离子阱被封装在一个较小的空间内，大大降低了系统对于冷量的需求。

5.采用微加工技术实现了对刀片形离子阱外围电路的整合，大大提高了离子阱装配的效率，同时规避了走线杂乱导致的短路、断路等问题。

6.结构紧凑，功能完善，可靠性高，热负荷低，方便使用的模块化产品。

7.通道窗片距离离子阱中心囚禁区域距离较短，使得整个低温真空腔体能够实现更加紧凑的设计，给离子阱量子计算机的产品化提供了必要条件。

附图说明

图1为本实用新型的低温离子阱系统整体结构的立体示意图；

图2为本实用新型的低温离子阱系统整体结构的半剖示意图；

图3为本实用新型的离子阱装置整体结构的立体示意图；

图4为本实用新型的离子阱装置前视示意图；

图5为图4的A-A剖视示意图；

图6为图5的C-C剖视示意图；

图7为本实用新型的原子发生器的立体爆炸示意图；

图8为本实用新型的原子发生器的半部示意图。

图示说明：

1、底座；2、囚禁通道；4、盖板；5、视窗窗口；6、视窗窗片； 8、通槽；10、离子阱装置；20、原子发生器；

100、阱壳体；101、激光窗口；102、刀片架；103、第一刀片；104、第二刀片；105、水平侧面；106、竖直侧面；107、斜面；108、开口槽；109、导线槽；110、导体膜；112、定位柱；113、通孔；114、直角通孔；115、焊接柱；116、连接器；117、光学窗片；118、电容；

200、壳体；201、原子源；202、加热器；203、发射口；204、封板；205、外翻边；206、套管；207、电热丝；208、接线柱；209、开口端；210、隔热绝缘管；211、弹簧。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，在本实用新型的描述中，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相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。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实用新型中的具体含义。

此外，后续所描述的本实用新型不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

参见图1-图8，本实用新型的实施例提供一种低温离子阱系统，包括：底座1、原子发生器20、离子阱装置10及盖板4，具体地，底座1为双层板结构支架，正视方向呈工字型，上层可以安装连接原子发生器20及离子阱装置10。底座1可以采用高导热的非磁性金属材料制造，如无氧铜或不锈钢等。优选的，底座1采用无氧铜制造。采用非磁性材料制造底座1可以减少离子阱系统在工作时的磁性干扰，保证设备功能指示或数据采更加集准确。

进一步地，如图3所示，离子阱装置10为两端通透的装置，其前端罩装于底座1，后端通过盖板4封装。其中，以离子阱装置10连接底座1的一端为前端。离子阱装置10形成有囚禁通道2，离子阱装置10可以将原子电离，囚禁通道2可以囚禁离子，离子阱装置10连接有直流电源及射频信号源，直流电源及射频信号源由外部设备提供。

进一步地，原子发生器20安装与离子阱装置10同侧的底座1上，原子发生器20安装后其轴线与离子阱装置10的轴线同轴。原子发生器20可以被激发产生原子蒸汽，原子蒸汽中存在大量原子。原子发生器20具备一个发射口203，发射口203用于发射出原子发生器20产生的原子，发射出来的原子形成原子束。装配后的原子发生器20的发射口203正对离子阱装置10的囚禁通道2，离子阱装置10可以产生囚禁电场，囚禁电场电离原子并将离子囚禁在囚禁通道2。

进一步地，盖板4呈板状，用于紧密封闭离子阱装置10的后端。盖板4可以采用高导热的非磁性金属材料制造，如无氧铜或不锈钢等。优选的，盖板4采用无氧铜制造。在盖板4上设置有视窗窗口5，视窗窗口5装配了视窗窗片6，视窗窗片6可以采用熔融石英制造。视窗窗口5可以用于观察离子阱装置10的内部工作状态或提供激光进入离子阱装置10的轴向通道，有利于操控离子阱内的离子。

在一些实施例中，如图7-8所示，原子发生器20包括壳体200，壳体200内安装有原子源201及加热器202；壳体200一端设置有发射口203，另一端通过封板204封装；加热器202加热原子源201激发原子源201发出原子，原子通过发射口203射出壳体200。发射口203位于离子阱装置10的中心轴线方向上，距离离子阱装置10中心比较近，以便原子能够快速精准地进入离子阱装置10中心的囚禁区域，从而实现离子囚禁。

进一步地，壳体200呈一端封闭一端开口的圆柱形腔体，其开口端209形成有外翻边205，开口端209通过封板204封闭安装，壳体200的封闭端设置有发射口203。壳体200可以无氧铜或不锈铜或其他非磁性的高导热的金属制造，优选地，壳体200采用无氧铜制造。壳体200可以对原子发生器20整体进行热沉处理，将加热器202产生的热量导向冷源，避免热量流向离子阱装置10，导致离子晶体的破坏。

进一步地，原子源201安装在壳体200的内部，用于产生原子粒子。原子源201可采用钙、铯、铍及镱中的一种或多种金属制造，优选地，原子源201采用钙金属制造。原子源201在加热时可以产生原子蒸汽，原子蒸汽中饱含大量原子粒子，原子粒子可以从发射口203喷射出壳体200进入离子阱装置10的囚禁区域。

进一步地，原子源201可以为粉末状或固体状，实际运用中，为了更好地对原子源201进行加热及方便安装，将原子源201加工成圆柱或矩形柱体状。优选地，将原子源201加工成圆柱体状，可以方便安装及整体受热均匀，有利于离子阱装置10产品化的应用。

进一步地，加热器202安装在壳体200的内部，加热器202包裹原子源201的外围，加热器202用于对原子源201加热，从而激发原子源201产生大量原子形成原子蒸汽，原子蒸汽从发射口203喷出进入离子阱装置10的囚禁区域。具体地，加热器202包括套管206及电热丝207，电热丝207缠绕于套管206的外表并通过接线柱208穿过封板204连接到电源（未图示）。优选地，封板204为耐高低温的绝缘体，接线柱208穿过封板204紧密安装，或可以将接线柱208与封板204一次浇注成型，提高封板204的密封性。封板204可以通过螺栓或者焊接等方式与壳体200进行紧密安装，可选地，封板204通过螺栓连接安装在壳体200的外翻边205。为了进一步提高封板204的安装密封性，可以配置一个密封垫（未图示），以保证原子发生器20的正常运作，并可延长设备或装置的整体使用寿命。

进一步地，套管206可以加工成一端开口一端封闭的柱体，同样的，或为圆柱体或为矩形柱体，优选的为圆柱体。套管206可以套装在原子源201的外围，开口端209被用于原子蒸汽扩散，套管206的外表面形成有螺旋状的凹槽（未图示），电热丝207缠绕在凹槽里，两个端头连接到接线柱208，接线柱208连接外部电源。具体地，套管206采用可导热高温绝缘材料制造，能够快速地将热量传递到原子源201上。优选的，套管206采用陶瓷制造，比如氮化铝或氮化硅陶瓷。陶瓷的热稳定性及导热性能均较好，非常适用于制造离子发生器的加热器202，提高生产效益，有利于离子阱装置10或设备的产品化应用。

在一些实施例中，加热器202的外围设置有隔热绝缘管210，隔热绝缘管210可以加工成中空圆柱体，套装于套管206外围。隔热绝缘管210采用低导热率的绝缘材料，比如玻璃纤维、石棉或岩棉等。隔热绝缘管210的作用是在其内部电热丝207通电加热时，减缓热量向外的流失，使得电热丝207的热量能够最大限度被内部的原子源201吸收，提高加热效率。

在一些实施例中，壳体200内部两端分别配置了弹簧211，弹簧211可以为压缩的弹簧211，两个弹簧211将原子源201限制在壳体200的中部。配置弹簧211能够保证原子源201与发射孔之间存在一定的距离，使得原子蒸汽喷出时具有一定的方向性，避免原子对离子阱的污染；此外，弹簧211还可以保证电热丝207与外壳的有效绝缘距离，避免短路，保障离子阱装置10或设备的正常运行，提高设备质量。

在一些实施例中，如图3-图6所示，离子阱装置10具备阱壳体100，阱壳体100设置若干激光窗口101，激光窗口101用于激光进入阱壳体100内部；阱壳体100内部设置若干刀片架102；第一刀片103及第二刀片104相间地安装在刀片架102上；第一刀片103连接到直流电源，第二刀片104连接到射频信号，第一刀片103及第二刀片104产生囚禁电场，第一刀片103及第二刀片104合围形成囚禁通道2。

进一步地，阱壳体100形成为对称的中空八边形柱体，形成2个对称的大面积水平侧面105、2个小面积竖直侧面106及4个对称的小面积斜面107。阱壳体100可以采用无氧铜或不锈钢或其他非磁性的金属制造，优选地，阱壳体100采用无氧铜制造，利于阱壳体100的加工成型以及热量传导。阱壳体100的4个小面积斜面107的内侧面安装有4个对称的刀片架102，刀片架102呈类似于7字型块体，4个刀片架102的结构是同样的。

进一步地，刀片架102可以采用高导热陶瓷制造，高导热系数陶瓷材料一般以氧化物、氮化物、碳化物、硼化物等为主，如AlN、BeO、Si3N4、SiC、BN等，主要是起到绝缘及导热的作用。优选地，刀片架102采用氧化铍陶瓷制造。刀片架102设置了一个刀片的安装开口槽108，用于定位安装刀片，整体结构紧凑，利于离子阱装置10的一体化，可最终实现低温离子阱的产品化。

在一些实施例中，刀片架102的侧面通过微加工技术加工出5道比较浅的导线槽109，导线槽109内附着一层导体膜110，导体膜110为金属膜，优选地，金属膜采用金材料进行镀层，利用金材料制造可以确保离子阱装置10的稳定性。

进一步地，开口槽108上设置了5个安装孔（未图示），刀片可以通过5个安装孔安装于刀片架102上，安装孔同时作为电气连接端子使用，通过紧固螺钉将圆环连接片（未图示）与刀片的极片固定连接，使得导体膜110与极片连通，进而将导体膜110的直流信号或射频信号输入到极片上，优化了结构的电路，使得离子阱装置10整体紧凑化和一体化。

进一步地，刀片架102的开口槽108对侧，即刀片架102的顶部加工形成有6个定位柱112，6个定位柱112直接嵌入式安装在阱壳体100上，结构更加紧凑。具体地，定位柱112可以形成为圆柱体或矩形体，优选地，定位柱112为圆柱体；对应地，在阱壳体100的4个小面积斜面107加工6个通孔113，通孔113与定位柱112配合紧密安装。定位柱112的顶面向下至刀片架102的侧面导线槽109的终止位置加工出直角通孔114，如此，直角通孔114与导线槽109形成连通的状态，直角通孔114在导线槽109的一向安装在个焊接柱115，焊接柱115与导体膜110可以通过焊接的方式连接，形成电流通路。

进一步地，阱壳体100的外侧对应定位柱112的位置上安装有连接器116，连接器116为SMP射频连接器116，SMP连接器116具备电芯插入定位柱112的直角通孔114与焊接柱115导通，SMP连接器116用于连接直流电或射频信号至导体膜110并最终输送到第一刀片103或第二刀片104上，从而在离子阱装置10中心的囚禁通道2产生赝势，形成囚禁电场，实现离子囚禁。SMP连接器116可以配置螺栓或通过焊接或粘接的方式与阱壳体100紧固连接。在实际运行中，4个刀片为两组接法不相同的刀片，第一刀片103组的两个刀片连接的是直流电信号，第二刀片104组的两个刀片连接是的射频信号。

进一步地，第一刀片103及第二刀片104均可以采用高导热的陶瓷制造，高导热系数陶瓷材料一般以氧化物、氮化物、碳化物、硼化物等为主，如AlN、BeO、Si3N4、SiC、BN等，主要是起到绝缘及导热的作用。优选地，第一刀片103及第二刀片104均采用氧化铍陶瓷制造。第一刀片103及第二刀片104的表面均镀有一层导体层（未图示），从而形成信号源的通路。导体层优选地采用金材料进行镀层，利用金材料制造可以确保离子阱装置的稳定性。

进一步地，第一刀片103及第二刀片104均具有5个独立的极片，向第一刀片103组接入直流电信号时，占用其中5个连接器116，5个连接器116的输出端（即第一刀片103的前端）均配置了可以滤波的电容118，电容118可以通过焊接的方式直接焊接附着在导体膜110上，与导体膜110形成一体化电路，简化了电路连接。电容118可以对直流电流进行滤波，稳定电压，确保离子阱装置10电场的稳定，另一个连接器116可以接地用于为上述5个连接器116后端的电容118器提供接地端，从而保证路的正常运行。向第二刀片104组接入射频信号时，占用其中一个连接器116，其他可以作为备用，离子阱装置10中只需要输入一路射频信号即可实现囚禁离子功能，简化了电路连接，防止发生由于走线杂乱导致的短路、断路等问题。

进一步地，激光窗口101设置在阱壳体100的两个大面积的侧面（即水平侧面105）以及两个小面积的侧面（即竖直侧面106），激光窗口101上安装光学窗片117，光学窗片117可以采用熔融石英制造并贴附增透膜（未图示）。增透膜优选地根据透过激光的波长而选择对应的增透膜，可以提高激光的通过率，保证离子阱装置10的使用效果。4个光学窗片117分别对应离子阱装置10的四个开口方向，4个光学窗片117提供了丰富的激光入射角度，满足原子双光子离化、离子激光冷却、态探测、离子操控等激光通道的需要。

在一些实施例中，第一刀片103及第二刀片104的刀刃侧均同样地设置了4条通槽8，通槽8的作用是：在离子阱装置10通电时，通槽8的位置可以使得极片间形成更加稳定的电压，从而在囚禁通道2形成稳定的囚禁电场，囚禁离子，能够进一步提高离子阱装置10的囚禁效率。

在一些实施例中，本实用新型的低温离子阱系统可以通过底座1安装在一个封闭空间的低温真空腔内，阱壳体100与低温冷源直接连接，形成冷屏，能够有效冷凝吸附真空腔内的残余气体，在离子阱装置10周围形成超高真空；此外，阱壳体100还能够屏蔽外界黑体背景辐射对离子的加热作用，提高离子晶体的持续时间，延长量子比特相干时间，大大提高量子逻辑门的保真度，提高了离子阱系统的性能稳定性及工作准确性。

上述实施方式仅为本实用新型的优选实施方式，不能以此来限定本实用新型保护的范围，本领域的技术人员在本实用新型的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本实用新型所要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种低温离子阱系统，其特征在于，包括：底座、原子发生器、离子阱装置及盖板，所述离子阱装置罩装于所述底座，所述盖板封装所述离子阱装置，所述原子发生器安装在所述底座并与所述离子阱装置同轴；所述原子发生器具备用于原子发射的发射口，所述发射口正对所述离子阱装置的囚禁通道；所述离子阱装置产生囚禁电场，所述囚禁电场电离原子并将离子囚禁在所述囚禁通道。

2.如权利要求1所述的低温离子阱系统，其特征在于，所述原子发生器包括壳体以及安装在所述壳体内的原子源及加热器；所述发射口设置于所述壳体的一端，另一端通过封板封装；所述加热器加热所述原子源激发所述原子源发出原子，原子通过所述发射口射出所述壳体。

3.如权利要求2所述的低温离子阱系统，其特征在于，所述加热器具备接线柱，所述加热器通过所述接线柱连接到电源。

4.如权利要求2所述的低温离子阱系统，其特征在于，所述原子源采用钙、铯、铍及镱中的一种或多种金属制造。

5.如权利要求4所述的低温离子阱系统，其特征在于，所述原子源形成为柱体状。

6.如权利要求1所述的低温离子阱系统，其特征在于，所述离子阱装置具备阱壳体，所述阱壳体设置若干激光窗口，所述激光窗口用于激光进入所述阱壳体内部；所述阱壳体内部设置若干刀片架，所述刀片架相间地安装第一刀片及第二刀片；所述第一刀片连接到直流电源，所述第二刀片连接到射频信号，所述第一刀片及所述第二刀片合围形成所述囚禁通道。

7.如权利要求6所述的低温离子阱系统，其特征在于，所述激光窗口配置光学窗片，所述光学窗片采用熔融石英制造，所述光学窗片贴附增透膜。

8.如权利要求6所述的低温离子阱系统，其特征在于，所述第一刀片及所述第二刀片均采用陶瓷制造，表面镀导体层，所述导体层形成若干独立的极片，所述极片连接到所述直流电源或所述射频信号。

9.如权利要求8所述的低温离子阱系统，其特征在于，所述第一刀片及所述第二刀片的刀刃侧设置若干通槽。

10.如权利要求8所述的低温离子阱系统，其特征在于，所述第一刀片的前端配置滤波电容，所述滤波电容附着于所述刀片架，所述滤波电容的输出端连接所述第一刀片，所述滤波电容的输入端连接所述直流电源。

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