CN219758852U - 一种实现量子操作的装置及量子计算装置 - Google Patents

Abstract

本文公开一种实现量子操作的装置及量子计算装置，包括：光学调制器和操作单元；其中，光学调制器设置为：对输入的高斯光斑进行整形处理，获得平顶激光；操作单元设置为：将获得的平顶激光作为操作激光照射离子晶体，以执行量子操作；其中，平顶激光为：光斑功率半高全宽范围内平均功率密度与光斑的最高功率密度的比值大于预先设定的比值阈值的激光。本实用新型实施例对高斯光斑进行整形处理，获得了功率密度均匀的操作激光；进一步的，本实用新型实施例对平顶激光进行聚焦处理，实现了大小可控的用于照射离子晶体的操作激光。

Description

一种实现量子操作的装置及量子计算装置

技术领域

本文涉及但不限于量子计算机技术，尤指一种实现量子操作的装置及量子计算装置。

背景技术

离子量子计算将特定波长的操作激光照射到离子晶体上，通过离子与激光的相互作用，实现对离子量子比特的离子冷却、量子态制备、量子逻辑门操控和量子态探测等相干操作。随着离子量子比特规模的不断扩大，离子数目不断增长，离子晶体的体积也不断扩大，所需的激光光斑大小也需要相应扩大。通常应用于离子量子计算的操作激光的激光光斑在离子处的功率密度在垂直于激光前进方向的平面上满足二维高斯分布。因此，在此平面内不同位置处的离子会感受到差异较大的激光功率密度。为了缓解这个问题，通常需要使用远大于离子晶体尺寸的激光光斑照射离子，使得每个离子均处于激光光斑中央功率密度变化率较小的范围内；这样的技术手段无法从根本上解决激光光斑功率不均匀的问题，且往往需要将激光光斑扩大很多，浪费有限的激光功率，进而导致激光总功率无法满足高速量子逻辑门操作的需要；同时，由于离子阱装置体积微小，所以过大的激光光斑更容易散射到真空中离子阱器件上，容易引起更大的背景散射光强。对于紫外光而言，这种散射还会因光电效应导致电荷积累或微电流，带来额外的离子热化率，进而对量子计算稳定度和逻辑门保真度产生负面影响。

另一方面，离子量子计算系统为了实现更大规模的离子晶体稳定囚禁，需要采用低温系统将离子晶体置于约4开尔文(K)的超低温度下。由于低温系统需要借助制冷机实现超低温制冷，因此普遍存在离子阱的低频振动问题，会导致低温离子阱系统样品处振动幅度处于约100纳米范围，振动频率约50赫兹，从而导致低温系统内的离子相比于在常温系统存在百纳米量级的额外振动。考虑到离子量子计算的量子逻辑门实现需要将操作激光聚焦到直径约3-4微米的激光光斑大小，因此几百纳米的振动会使得离子感受到的光强处于不断变化之中，从而额外地降低量子逻辑门的保真度，影响离子量子计算的最终效果。

综上所述，在控制激光光斑大小的同时保持离子量子计算操作激光光的光功率密度均匀性，成为一个亟待解决的问题。

实用新型内容

以下是对本文详细描述的主题的概述。本概述并非是为了限制权利要求的保护范围。

本实用新型实施例提供一种实现量子操作的装置及量子计算装置，能够在获得功率密度均匀的操作激光的同时，控制用于照射离子晶体的操作激光的大小。

本实用新型实施例提供了一种实现量子操作的装置，包括：

对输入的高斯光斑进行整形处理，获得平顶激光个体光学调制器；

将获得的平顶激光作为操作激光照射离子晶体，以执行量子操作的操作单元；

其中，所述平顶激光为：光斑功率半高全宽范围内平均功率密度与光斑的最高功率密度的比值大于预先设定的比值阈值的激光。

在一种示例性实例中，所述光学调制器包括：

平顶光学整形元件或空间光调制器SLM。

在一种示例性实例中，所述光学调制器为SLM时，所述SLM包括：透射式的SLM或反射式的SLM。

在一种示例性实例中，所述操作单元由透镜和/或反射镜系统组成。

在一种示例性实例中，所述操作单元包括以下任一系统或由以下系统中的两个以上组成的系统：

反射镜系统、聚焦透镜系统或物镜系统。

在一种示例性实例中，所述操作单元包括聚焦透镜系统时，所述聚焦透镜系统包括：

由单个的球面透镜、非球面透镜或柱面透镜组成的系统；

由球面透镜、非球面透镜、柱面透镜、平面镜和反射镜中的一种以上的两个及以上光学元件组成的系统。

在一种示例性实例中，所述装置还包括设置于所述光学调制器前端的，用于根据需要执行的量子操作，对所述高斯光斑进行大小和/或形状的调整光束整形单元。

在一种示例性实例中，所述光束整形单元包括以下任一系统或由以下系统中的两个以上组成的系统：

扩束系统、缩束系统和光斑椭圆程度整形系统。

在一种示例性实例中，所述装置还包括：

在进行量子逻辑门操控时，在时序上对所述操作激光进行开关的寻址系统。

在一种示例性实例中，所述寻址系统设置于所述光学调制器之前或所述光学调制器之后。

另一方面，本实用新型实施例还提供一种量子计算装置，包括上述的实现量子操作的装置。

本申请包括：光学调制器和操作单元；其中，光学调制器设置为：对输入的高斯光斑进行整形处理，获得平顶激光；操作单元设置为：将获得的平顶激光作为操作激光照射离子晶体，以执行量子操作；其中，平顶激光为：光斑功率半高全宽范围内平均功率密度与光斑的最高功率密度的比值大于预先设定的比值阈值的激光。本实用新型实施例对高斯光斑进行整形处理，获得了功率密度均匀的操作激光；进一步的，本实用新型实施例对平顶激光进行聚焦处理，实现了大小可控的用于照射离子晶体的操作激光。

本实用新型的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本实用新型技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本实用新型的技术方案，并不构成对本实用新型技术方案的限制。

图1为本实用新型实施例一实现量子操作的装置的结构框图；

图2为本实用新型实施例高斯光斑的激光功率密度分布示意图；

图3为本实用新型实施例平顶光斑的激光功率密度分布示意图；

图4为本实用新型实施例另一实现量子操作的装置的结构框图；

图5为本实用新型实施例再一实现量子操作的装置的结构框图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本实用新型的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

图1为本实用新型实施例一实现量子操作的装置的结构框图，如图1所示，包括：

对输入的高斯光斑进行整形处理，获得平顶激光个体光学调制器；

将获得的平顶激光作为操作激光照射离子晶体，以执行量子操作的操作单元；

其中，平顶激光为：光斑功率半高全宽范围内平均功率密度与光斑的最高功率密度的比值大于预先设定的比值阈值的激光。

需要说明的是，获得平顶激光后，将平顶激光作为操作激光照射离子晶体的操作，可以参照量子计算机的相关原理实现，在此不做赘述。

本实用新型实施例对输入的高斯光斑进行整形处理，获得了功率密度均匀的操作激光。

需要说明的是，本实用新型中输入的高斯光斑光束横截面的功率密度分布近似高斯分布，其实际的功率分布情况不应视作对本实用新型的限制。本领域技术人员公知的事实是，由于光学元件的不完美等因素，激光光束横截面的功率密度分布通常会偏离高斯分布，例如出现畸变，分瓣等情况。

在一种示例性实例中，本实用新型实施例高斯光斑可以是准直的，也可以是非准直的。

在一种示例性实例中，本实用新型实施例高斯光斑在垂直于光束前进方向的横截面上的功率密度分布满足高斯分布。

在一种示例性实例中，本实用新型实施例比值阈值大于或等于0.85。

在一种示例性实例中，本实用新型实施例光斑功率半高全宽范围为平顶激光的中央部分，中央部分功率密度平坦程度，根据平顶激光的中央部分内平均功率密度与平顶激光的最高功率密度的比值表征。本实用新型实施例比值越接近1，表明表面功率密度越平坦。本实用新型实施例整形处理获得的激光，其中央部分功率密度平坦程度远高于高斯光束，呈现出平坦的功率密度分布。

图2为本实用新型实施例高斯光斑的激光功率密度分布示意图，图3为本实用新型实施例平顶光斑的激光功率密度分布示意图；其中，横坐标为无量纲化的空间坐标x，纵坐标为归一化的无量纲化的功率密度，垂直于x轴的黑线指示出了功率密度降低到最大值一半处的位置(即半高全宽范围)，参见图2和图3，在垂直于激光前进方向上，在半高全宽范围内，平顶光斑相对于高斯光斑具有更高的均匀性；可以计算出，在这两个示例中，高斯光斑半高全宽范围内平均功率密度与光斑的最高功率密度的比值约为0.81，平顶光斑的该比值约为0.92。

在一种示例性实例中，本实用新型实施例操作单元由透镜和/或反射镜系统组成；在一种示例性实例中，本实用新型实施例操作单元是设置为：

调整平顶激光在离子晶体上照射的位置；和/或，

对平顶激光进行聚焦处理，以调整照射在离子晶体上的激光光斑大小。

在一种示例性实例中，本实用新型实施例对平顶激光进行聚焦处理，包括，对平顶激光进行聚焦，使调整后的激光光斑满足以下条件之一：

覆盖一半离子的全局激光；

只覆盖单个离子的寻址激光；

覆盖两个以上离子、但小于一半离子的寻址激光。

本实用新型实施例通过对平顶激光进行聚焦处理，实现了大小可控的用于照射离子晶体的操作激光。本实用新型实施例对高斯光斑进行整形和聚焦处理，在获得功率密度均匀的操作激光的同时，实现了大小可控的用于照射离子晶体的操作激光。

在一种示例性实例中，本实用新型实施例光学调制器包括但不限于任意的可以对高斯光斑进行整形处理的光学组成。

在一种示例性实例中，本实用新型实施例中的光学调制器包括：

Top-Hat(平顶)光学整形元件或空间光调制器(SLM)。

在一种示例性实例中，本实用新型实施例中的光学调制器为SLM时，SLM包括：透射式的SLM或反射式的SLM。

本实用新型实施例SLM无论是透射式的还是反射式的，只要能够实现对高斯光斑进行整形处理即可。

在一种示例性实例中，本实用新型实施例中的操作单元包括以下任一系统或由以下系统中的两个以上组成的系统：

反射镜系统、聚焦透镜系统或物镜系统。

在一种示例性实例中，本实用新型实施例中的操作单元包括聚焦透镜系统时，聚焦透镜系统包括：

由单个的球面透镜、非球面透镜或柱面透镜组成的系统；

由球面透镜、非球面透镜、柱面透镜、平面镜和反射镜中的一种以上的两个以上光学元件组成的系统。

本实用新型实施例聚焦透镜系统可以是单个的球面透镜、非球面透镜或柱面透镜的，也可以是多个球面透镜、多个非球面透镜、多个柱面透镜、多个平面镜或多个反射镜组成的透镜系统，还可以是确定的球面透镜、非球面透镜、柱面透镜、平面镜和反射镜中的两种以上光学元件，每种光学元件包含一个以上组成的透镜系统，只要可以实现对激光光斑的大小进行调整即可；例如，平顶激光可以经过单个凸透镜聚焦到离子晶体上；也可以先经过一个柱面镜，再经过一个凸透镜，在离子晶体处聚焦为一个长条形的椭圆光斑。

图4为本实用新型实施例另一实现量子操作的装置的结构框图，如图4所示，本实用新型实施例装置还包括设置于光学调制器前端的光束整形单元，设置为：

根据需要执行的量子操作，对高斯光斑进行大小和/或形状的调整。

本实用新型实施例对输入的具有一定大小和形状的高斯光斑，根据不同需求，即需要执行的量子操作整形为大小不一、形状不同的激光光斑；例如，对于二维的大规模离子晶体，对高斯光斑进行整形，使得整形后的激光光斑在离子处成为与离子晶体形状类似的椭圆形大光斑；对于单个离子的寻址，需要对高斯光斑进行整形，使得整形后的激光光斑在离子处成为圆形小光斑。在对高斯光斑进行大小和/或形状的调整之后，本实用新型实施例再利用Top-Hat光学整形元件或空间光调制器(SLM)进行光功率密度均匀化，从而获得离子量子计算所需的高质量的均匀光斑。

在一种示例性实例中，本实用新型实施例中的光束整形单元包括以下任一系统或由以下系统中的两个以上组成的系统：

扩束系统、缩束系统和光斑椭圆程度整形系统。

图5为本实用新型实施例再一实现量子操作的装置的结构框图，如图5所示，本实用新型实施例装置还包括：

在进行量子逻辑门操控时，在时序上对操作激光进行开关的寻址系统。

在一种示例性实例中，本实用新型实施例寻址系统还设置为：当操作激光非全局激光时，在空间上对操作激光进行偏转操控；

其中，非全局激光包括：覆盖一半以上离子但未覆盖全部离子的全局激光，只覆盖单个离子的寻址激光，和覆盖两个以上离子、但小于一半离子的寻址激光。

本实用新型实施例中寻址系统为微秒级的寻址系统，在实施量子逻辑门操控过程中，在时序上对光束进行高速的开关和/或偏转等操控，实现了对单个或多个离子量子比特的寻址操控。

在一种示例性实例中，本实用新型实施例中的寻址系统设置于光学调制器之前或光学调制器之后。

本实用新型实施例离子量子计算的操作激光包括：照射离子晶体中所有或大部分离子的全局光束(Global Beam)；或，照射单个离子、或少部分离子的寻址光束。

本实用新型实施例操作激光具有均匀的功率密度，操作激光为全局激光时，离子晶体中不同位置的离子均能够感受到一致的激光光强，小范围内振动的单个离子也可以始终感受到稳定的激光功率。

在一种示例性实例中，本实用新型实施例装置可以同时包括光学调制器、操作单元、光束整形单元和寻址系统。

本实用新型实施例还提供一种量子计算机，包括实现量子操作的装置，实现量子操作的装置包括：光学调制器操作单元；其中，

光学调制器设置为：对输入的高斯光斑进行整形处理，获得平顶激光；

其中，平顶激光为：光斑功率半高全宽范围内平均功率密度与光斑的最高功率密度的比值大于预先设定的比值阈值的激光。

本实用新型实施例对高斯光斑进行整形处理，获得了功率密度均匀的操作激光。

在一种示例性实例中，本实用新型实施例中的高斯光斑在垂直于光束前进方向的横截面上的功率密度分布满足高斯分布。

在一种示例性实例中，本实用新型实施例操作单元由透镜和/或反射镜系统组成，设置为：

调整平顶激光在离子晶体上照射的位置；和/或，

对平顶激光进行聚焦处理，以调整照射在离子晶体上的激光光斑大小。

在一种示例性实例中，本实用新型实施例光学调制器包括：

平顶光学整形元件或空间光调制器SLM。

在一种示例性实例中，本实用新型实施例光学调制器为SLM时，SLM包括：透射式的SLM或反射式的SLM。

在一种示例性实例中，本实用新型实施例操作单元包括以下任一系统或由以下系统中的两个以上组成的系统：

反射镜系统、聚焦透镜系统或物镜系统。

在一种示例性实例中，本实用新型实施例操作单元包括聚焦透镜系统时，聚焦透镜系统包括：

由单个的球面透镜、非球面透镜或柱面透镜组成的系统；

由球面透镜、非球面透镜、柱面透镜、平面镜和反射镜中的一种以上的两个及以上光学元件组成的系统。

在一种示例性实例中，本实用新型实施例实现量子操作的装置还包括设置于光学调制器前端的光束整形单元，设置为：

根据需要执行的量子操作，对高斯光斑进行大小和/或形状的调整。

在一种示例性实例中，本实用新型实施例光束整形单元包括以下任一系统或由以下系统中的两个以上组成的系统：

扩束系统、缩束系统和光斑椭圆程度整形系统。

在一种示例性实例中，本实用新型实施例实现量子操作的装置还包括寻址系统，设置为：

在进行量子逻辑门操控时，在时序上对操作激光进行开关和/或在空间上对操作激光进行偏转操控，以实现对单个或多个离子量子比特的单独寻址。

在一种示例性实例中，本实用新型实施例寻址系统设置于光学调制器之前或光学调制器之后。

在一种示例性实例中，本实用新型实施例操作激光包括：全局激光或寻址激光。

本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统、装置中的功能模块/单元可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。在硬件实施方式中，在以上描述中提及的功能模块/单元之间的划分不一定对应于物理组件的划分；例如，一个物理组件可以具有多个功能，或者一个功能或步骤可以由若干物理组件合作执行。某些组件或所有组件可以被实施为由处理器，如数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质(或非暂时性介质)和通信介质(或暂时性介质)。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、闪存或其他存储器技术、CD-ROM、数字多功能盘(DVD)或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。

Claims (11)

1.一种实现量子操作的装置，其特征在于，包括：

对输入的高斯光斑进行整形处理，获得平顶激光个体光学调制器；

将获得的平顶激光作为操作激光照射离子晶体，以执行量子操作的操作单元；

其中，所述平顶激光为：光斑功率半高全宽范围内平均功率密度与光斑的最高功率密度的比值大于预先设定的比值阈值的激光。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光学调制器包括：

平顶光学整形元件或空间光调制器SLM。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述光学调制器为SLM时，所述SLM包括：透射式的SLM或反射式的SLM。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述操作单元由透镜和/或反射镜系统组成。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述操作单元包括以下任一系统或由以下系统中的两个以上组成的系统：

反射镜系统、聚焦透镜系统或物镜系统。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述操作单元包括聚焦透镜系统时，所述聚焦透镜系统包括：

由单个的球面透镜、非球面透镜或柱面透镜组成的系统；

由球面透镜、非球面透镜、柱面透镜、平面镜和反射镜中的一种以上的两个及以上光学元件组成的系统。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括设置于所述光学调制器前端的，用于根据需要执行的量子操作，对所述高斯光斑进行大小和/或形状的调整光束整形单元。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述光束整形单元包括以下任一系统或由以下系统中的两个以上组成的系统：

扩束系统、缩束系统和光斑椭圆程度整形系统。

9.根据权利要求1-8任一项所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

在进行量子逻辑门操控时，在时序上对所述操作激光进行开关的寻址系统。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述寻址系统设置于所述光学调制器之前或所述光学调制器之后。

11.一种量子计算装置，其特征在于，包括如权利要求1-10任一项所述的实现量子操作的装置。