CN217767849U - 一种一体化离子阱系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种一体化离子阱系统，包括：安装台，安装台上设置有离子阱封装模块以及支架，支架上设置有物镜；离子阱封装模块的表面设置有光子窗口，物镜与光子窗口相对。本实用新型的一体化离子阱系统，实现了离子阱系统的一体化，大大缩小系统的整体尺寸，使得整个系统对低温冷量的需求大大降低，并且由于系统整体尺寸的缩小，所以物镜的工作距离也得以缩短，提高了光子收集效率。

Description

一种一体化离子阱系统

技术领域

本实用新型涉及量子计算技术领域，尤其涉及一种一体化离子阱系统。

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子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率，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。

由于离子阱需要提供高精密度的直流和射频信号才能工作，因此当离子阱放置于超低温真空环境中时，需要考虑阱周的电气设计和走线问题，同时离子阱需要多角度的激光入射和高效的光子收集，因此还需进行激光通道和物镜系统的设计。目前的超低温离子阱系统存在设备庞大、腔内走线凌乱且复杂、光子收集效率低等问题。

实用新型内容

为了克服现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种一体化离子阱系统，其能缩小系统的整体尺寸。

本实用新型的目的采用如下技术方案实现：

一种一体化离子阱系统，包括：安装台，所述安装台上设置有离子阱封装模块以及支架，所述支架上设置有物镜；所述离子阱封装模块的表面设置有光子窗口，所述物镜与所述光子窗口相对。

进一步地，所述离子阱封装模块包括壳体，所述壳体呈筒状，所述壳体的两端分别安装有上盖板以及安装板，所述壳体的表面设置有多个激光窗口，所述光子窗口设置在所述上盖板上，所述安装板与所述安装台连接。

进一步地，所述安装台与离子阱封装模块之间安装有平面驱动机构，所述平面驱动机构用于驱动所述离子阱封装模块在平行于所述安装台台面的平面上运动。

进一步地，所述支架与所述物镜之间安装有直线驱动机构，所述直线驱动机构用于驱动所述物镜在垂直于所述安装台台面的方向上靠近或远离所述安装台。

进一步地，所述支架的下端固定在所述安装台上，所述支架的上端与所述直线驱动机构连接，所述直线驱动机构上连接有物镜定位环，所述直线驱动机构用于驱动所述物镜定位环在垂直于所述安装台台面的方向上靠近或远离所述安装台，所述物镜安装在所述物镜定位环内。

进一步地，所述平面驱动机构以及直线驱动机构均为压电位移台。

进一步地，所述安装台上还设置有谐振器以及直流滤波器，所述谐振器以及直流滤波器分别与所述离子阱封装模块信号连接。

进一步地，所述安装台包括间隔设置的第一安装板、第二安装板以及连接所述第一安装板与第二安装板的两个相对设置的第一支撑板以及第二支撑板；所述离子阱封装模块、支架以及直流滤波器均设置在所述第一安装板的顶面，所述谐振器安装在所述第二安装板的顶面，所述第一支撑板以及第二支撑板的外侧均设置有绕线柱，所述第二安装板的底面连接有第一冷头，所述第一冷头用于与冷源连接。

进一步地，所述一体化离子阱系统还包括黑体辐射屏蔽外壳，所述安装台、离子阱封装模块、支架以及物镜均位于所述黑体辐射屏蔽外壳内，所述黑体辐射屏蔽外壳呈一端封闭的筒状，所述黑体辐射屏蔽外壳的侧面设置有与所述激光窗口一一对应的光学窗口，所述黑体辐射屏蔽外壳的封闭端设置有与所述光子窗口相对的物镜窗口。

进一步地，所述黑体辐射屏蔽外壳的非封闭端连接有基座，所述基座上开设有出线口，所述基座远离所述黑体辐射屏蔽外壳的一端连接有第二冷头，所述第二冷头用于与冷源连接。

相比现有技术，本实用新型的有益效果在于：离子阱封装模块、物镜以及连接物镜与安装台的支架均集成在安装台上，实现了离子阱系统的一体化，从而可以大大缩小系统的整体尺寸，使得整个系统对低温冷量的需求大大降低。并且由于系统整体尺寸的缩小，所以物镜的工作距离也得以缩短，从而可以提高光子收集效率。

附图说明

图1为本实用新型一体化离子阱系统的立体示意图；

图2为本实用新型一体化离子阱系统的爆炸图；

图3为图1中去除黑体辐射屏蔽外壳、基座以及第二冷头后的示意图。

图中：1、安装台；11、第一安装板；12、第二安装板；13、第一支撑板；14、第二支撑板；15、绕线柱；16、第一冷头；2、离子阱封装模块；21、光子窗口；22、激光窗口；3、支架；4、物镜；5、平面驱动机构；6、直线驱动机构；7、物镜定位环；8、谐振器；9、直流滤波器；100、黑体辐射屏蔽外壳；101、光学窗口；102、物镜窗口；110、基座；111、出线口；120、第二冷头。

具体实施方式

为了便于理解本实用新型，下面将参照相关附图对本实用新型进行更全面的描述。附图中给出了本实用新型的较佳的实施例。但是，本实用新型可以用许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本实用新型的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图2-3所示，示出了本实用新型实施例提供的一体化离子阱系统，其至少包括安装台1，安装台1上设置有离子阱封装模块2以及支架3，支架3上设置有物镜4；离子阱封装模块2的表面设置有光子窗口21，物镜4与光子窗口21相对。离子阱封装模块2可产生光子，光子可从光子窗口21进入物镜4，并被物镜4导出到外部的成像系统。使用时，需要将本实用新型的一体化离子阱系统整体固定安装在超低温真空腔(未示出)内，超低温真空腔的温度具体需要控制在4K到77K之间。

上述的设置方式中，离子阱封装模块2、物镜4以及连接物镜4与安装台1的支架3均集成在安装台1上，实现了离子阱系统的一体化，从而可以大大缩小系统的整体尺寸，使得整个系统对低温冷量的需求大大降低。并且由于系统整体尺寸的缩小，所以物镜4的工作距离也得以缩短，从而可以提高光子收集效率。

在一些实施方式中，离子阱封装模块2包括壳体，壳体呈筒状，壳体的两端分别安装有上盖板以及安装板，壳体的表面设置有多个激光窗口22，光子窗口21设置在上盖板上，安装板与安装台1连接。其中，激光窗口22用于激光的射入，光子窗口21则用于光子的射出。具体而言，激光应在超低温真空腔外完成相应的稳频、调制、整形以及对焦，并在对焦后从激光窗口22射入。更具体地，壳体内设置有离子阱以及原子发生器，原子发生器可以被激发产生原子蒸汽，原子蒸汽中存在大量原子，原子可以被离化产生离子，离子被囚禁在离子阱中。当被囚禁的离子在超低温真空环境下形成离子晶体后，可使用激光激发离子跃迁，此时离子会自发辐射光子，光子从光子窗口21射出。需要说明的，原子发生器产生原子、原子离化产生离子、离子在激光作用下跃迁并自发辐射光子的这一过程详原理可以参见现有技术，此处不再赘述。

在一些实施方式中，激光窗口22上可以设置激光窗片，光子窗口21上可以设置光子窗片。

在一些实施方式中，参照图2-3，安装台1与离子阱封装模块2之间安装有平面驱动机构5，平面驱动机构5用于驱动离子阱封装模块2在平行于安装台1台面的平面上运动。通过这样的设置方式，可以调整离子阱封装模块2的位置使其光子窗口21与物镜4对齐，使得物镜4始终处于最佳观测范围内，从而提高光子收集效率。

在一些实施方式中，支架3与物镜4之间安装有直线驱动机构6，直线驱动机构6用于驱动物镜4在垂直于安装台1台面的方向上靠近或远离安装台1。通过这样的设置方式，可以最大程度的缩短物镜4的工作距离，从而进一步地提升光子收集效率。

在一些实施方式中，支架3的下端固定在安装台1上，支架3的上端与直线驱动机构6连接，直线驱动机构6上连接有物镜定位环7，直线驱动机构6用于驱动物镜定位环7在垂直于安装台1台面的方向上靠近或远离安装台1，物镜4安装在物镜定位环7内。即本实用新型中，物镜4是通过物镜定位环7进行连接的，物镜定位环7可以在一定程度上保护物镜4，延长物镜4的使用寿命。

在一些实施方式中，平面驱动机构5以及直线驱动机构6均为压电位移台。具体而言是超低温真空兼容的压电位移台，压电位移台可以通过改变输入电压进行位移调节，实现了在超低温真空腔外调节控制离子阱封装模块2使其光子窗口21与物镜4对齐。

在一些实施方式中，安装台1上还设置有谐振器8以及直流滤波器9，谐振器8以及直流滤波器9分别与离子阱封装模块2信号连接。具体而言，离子阱封装模块2上具有直流接口以及射频接口。谐振器8将超低温真空腔外导入的射频信号转化为高电压、窄带通的射频信号，同时进行阻抗的匹配，减少射频能量反射。谐振器8输入端连接同轴电缆，通过真空馈通器件与超低温真空腔外的射频信号源连接，输出端连接同轴电缆，与离子阱封装模块2的射频接口相连。直流滤波器9用于将超低温真空腔外引入的直流信号进行多级滤波，去除其中的谐波噪声。直流滤波器9包括两个直流滤波板和两个陶瓷安装底座，直流滤波板采用超低温兼容的陶瓷材料作为基底，直流滤波板上设置有多级RC滤波电路，直流滤波板的输出端通过接线端子与离子阱封装模块2的直流接口相连。

在一些实施方式中，参照图2，安装台1包括间隔设置的第一安装板11、第二安装板12以及连接第一安装板11与第二安装板12的两个相对设置的第一支撑板13以及第二支撑板14；离子阱封装模块2、支架3以及直流滤波器9均设置在第一安装板11的顶面，谐振器8安装在第二安装板12的顶面，第一支撑板13以及第二支撑板14的外侧均设置有绕线柱15，第二安装板12的底面连接有第一冷头16，第一冷头16用于与冷源连接，第一冷头16为4K冷头。具体地，安装台1采用高导热率的金属制作；第一支撑板13上的绕线柱15直径大于第二支撑板14上的绕线柱15直径。导线柱用于电缆和导线的热沉处理，减少通过导线和电缆传递到超低温区域的热量对离子阱封装模块2的影响，同时绕线柱15也能够电缆和导线进行汇合整理。其中，较粗的绕线柱15用于折弯半径较大的同轴电缆的热沉，较细的绕线柱15则用于压电位移台的电源线及直流滤波器9的电源线的热沉。

在一些实施方式中，参照图1，一体化离子阱系统还包括黑体辐射屏蔽外壳100，安装台1、离子阱封装模块2、支架3以及物镜4均位于黑体辐射屏蔽外壳100内，黑体辐射屏蔽外壳100呈一端封闭的筒状，黑体辐射屏蔽外壳100的侧面设置有与激光窗口22一一对应的光学窗口101，黑体辐射屏蔽外壳100的封闭端设置有与光子窗口21相对的物镜窗口102。黑体辐射屏蔽外壳100为离子阱封装模块2提供黑体辐射屏蔽，以降低辐射漏热。光学窗口101用于激光的射入，物镜窗口102则用于光子的射出。

在一些实施方式中，继续参照图1，黑体辐射屏蔽外壳100的非封闭端连接有基座110，基座110上开设有出线口111，基座110远离黑体辐射屏蔽外壳100的一端连接有第二冷头120，第二冷头120用于与冷源连接。具体而言，基座110为一个两端带有安装法兰的金属筒，第二冷头120为50K冷头。出线口111用于黑体辐射屏蔽外壳100内部电缆以及电源线的引出，电缆以及电源线会在基座110上缠绕若干圈后再与超低温真空腔的电气馈通连接。这样，通过电缆和电源线传递至超低温真空腔内的热量会首先被50K冷头吸收绝大部分，以检查线材发热对超低温真空腔的影响。

以上仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种一体化离子阱系统，其特征在于，包括：安装台(1)，所述安装台(1)上设置有离子阱封装模块(2)以及支架(3)，所述支架(3)上设置有物镜(4)；所述离子阱封装模块(2)的表面设置有光子窗口(21)，所述物镜(4)与所述光子窗口(21)相对。

2.如权利要求1所述的一体化离子阱系统，其特征在于：所述离子阱封装模块(2)包括壳体，所述壳体呈筒状，所述壳体的两端分别安装有上盖板以及安装板，所述壳体的表面设置有多个激光窗口(22)，所述光子窗口(21)设置在所述上盖板上，所述安装板与所述安装台(1)连接。

3.如权利要求1所述的一体化离子阱系统，其特征在于：所述安装台(1)与离子阱封装模块(2)之间安装有平面驱动机构(5)，所述平面驱动机构(5)用于驱动所述离子阱封装模块(2)在平行于所述安装台(1)台面的平面上运动。

4.如权利要求3所述的一体化离子阱系统，其特征在于：所述支架(3)与所述物镜(4)之间安装有直线驱动机构(6)，所述直线驱动机构(6)用于驱动所述物镜(4)在垂直于所述安装台(1)台面的方向上靠近或远离所述安装台(1)。

5.如权利要求4所述的一体化离子阱系统，其特征在于：所述支架(3)的下端固定在所述安装台(1)上，所述支架(3)的上端与所述直线驱动机构(6)连接，所述直线驱动机构(6)上连接有物镜定位环(7)，所述直线驱动机构(6)用于驱动所述物镜定位环(7)在垂直于所述安装台(1)台面的方向上靠近或远离所述安装台(1)，所述物镜(4)安装在所述物镜定位环(7)内。

6.如权利要求4所述的一体化离子阱系统，其特征在于：所述平面驱动机构(5)以及直线驱动机构(6)均为压电位移台。

7.如权利要求1所述的一体化离子阱系统，其特征在于：所述安装台(1)上还设置有谐振器(8)以及直流滤波器(9)，所述谐振器(8)以及直流滤波器(9)分别与所述离子阱封装模块(2)信号连接。

8.如权利要求7所述的一体化离子阱系统，其特征在于：所述安装台(1)包括间隔设置的第一安装板(11)、第二安装板(12)以及连接所述第一安装板(11)与第二安装板(12)的两个相对设置的第一支撑板(13)以及第二支撑板(14)；所述离子阱封装模块(2)、支架(3)以及直流滤波器(9)均设置在所述第一安装板(11)的顶面，所述谐振器(8)安装在所述第二安装板(12)的顶面，所述第一支撑板(13)以及第二支撑板(14)的外侧均设置有绕线柱(15)，所述第二安装板(12)的底面连接有第一冷头(16)，所述第一冷头(16)用于与冷源连接。

9.如权利要求2所述的一体化离子阱系统，其特征在于：所述一体化离子阱系统还包括黑体辐射屏蔽外壳(100)，所述安装台(1)、离子阱封装模块(2)、支架(3)以及物镜(4)均位于所述黑体辐射屏蔽外壳(100)内，所述黑体辐射屏蔽外壳(100)呈一端封闭的筒状，所述黑体辐射屏蔽外壳(100)的侧面设置有与所述激光窗口(22)一一对应的光学窗口(101)，所述黑体辐射屏蔽外壳(100)的封闭端设置有与所述光子窗口(21)相对的物镜窗口(102)。

10.如权利要求9所述的一体化离子阱系统，其特征在于：所述黑体辐射屏蔽外壳(100)的非封闭端连接有基座(110)，所述基座(110)上开设有出线口(111)，所述基座(110)远离所述黑体辐射屏蔽外壳(100)的一端连接有第二冷头(120)，所述第二冷头(120)用于与冷源连接。

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