CN221008620U - 用于离子阱的物镜装置和量子计算设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了用于离子阱的物镜装置和量子计算设备，该用于离子阱的物镜装置包括物镜、物镜支架、物镜压环和位移台，其中，所述物镜压环与所述物镜支架构成环形空间，所述环形空间用于容纳所述物镜，所述物镜支架固定在所述位移台上；所述物镜装置位于真空腔内，所述真空腔内还设置有用于形成离子囚禁区域的离子阱装置，所述物镜的进光口对准所述离子阱装置的囚禁区域，所述物镜的出光口对准所述真空腔上的视窗。利用本实用新型提出的用于离子阱的物镜装置能够提高物镜的离子荧光收集效率。

Description

用于离子阱的物镜装置和量子计算设备

技术领域

本实用新型涉及量子计算技术领域，特别涉及用于离子阱的物镜装置和量子计算设备。

背景技术

保罗型离子阱技术在量子计算、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。针极阱是保罗型离子阱的一种，目前大多是由科研人员手工自制针极阱系统，不同程度地存在设计不合理、加工工艺粗糙、性能不稳定、电气走线凌乱、集成度不高等问题。在荧光收集效率方面，目前大多采用高NA值物镜进行真空腔外收集的方案，由于物镜工作距离较长，且物镜与离子之间设有真空视窗，大幅降低了光子透射率，造成荧光收集效率存在瓶颈，难于进一步提高。

实用新型内容

针对现有技术中存在的技术问题，本实用新型提出了一种用于离子阱的物镜装置，能够解决至少一种技术问题。

本实用新型提出的用于离子阱的物镜装置包括物镜、物镜支架、物镜压环和位移台，其中，所述物镜压环与所述物镜支架构成环形空间，所述环形空间用于容纳所述物镜，所述物镜支架固定在所述位移台上；

所述物镜装置位于真空腔内，所述真空腔内还设置有用于形成离子囚禁区域的离子阱装置，所述物镜的进光口对准所述离子阱装置的囚禁区域，所述物镜的出光口对准所述真空腔上的视窗。

可选的，所述物镜压环包括第一半环形结构，所述第一半环形结构的两端的端面上设有凸柱，所述物镜支架包括第二半环形结构，所述第二半环形结构的两端的端面上设有凹槽，所述凸柱的位置与所述凹槽的位置相对应，所述凸柱内嵌于所述凹槽中。

可选的，所述凸柱的上方设有螺孔，所述螺孔与紧固件相配合以固定所述凸柱和所述凹槽。

可选的，所述物镜支架的下方设有多个第一类螺孔，所述位移台上设有与所述第一类螺孔的位置和数量相适应的第二类螺孔，所述第一类螺孔、所述第二类螺孔和螺钉相配合以固定所述物镜支架和所述位移台。

可选的，所述第一类螺孔和所述第二类螺孔的数量均为四个，四个所述第二类螺孔分布在所述位移台的四个角上。

可选的，所述物镜装置还包括物镜安装板，所述位移台安装在所述物镜安装板上。

可选的，所述物镜安装板位于离子阱的支架上。

可选的，所述位移台包括超高真空兼容的压电陶瓷微距位移台。

本实用新型还提出一种量子计算设备，包括如上所述的用于离子阱的物镜装置，所述物镜装置的数量为两套，两套所述物镜装置对称地安装在囚禁区域的两侧。

本实用新型提出的用于离子阱的物镜装置通过在真空腔内设置两套物镜模块，实现了从两个方向收集离子荧光，并且将物镜设置在真空腔内，能有效提高离子荧光收集效率，避免因物镜与离子之间的真空视窗降低光子透射率。

附图说明

下面，将结合附图对本实用新型的优选实施方式进行进一步详细的说明，其中：

图1是根据本实用新型的一个实施例的针极离子阱系统的结构示意图。

图2是根据本实用新型的一个实施例的针极离子阱系统的爆炸图。

图3是根据本实用新型的一个实施例的针极模块的爆炸图。

图4是根据本实用新型的一个实施例的原子炉模块的结构示意图。

图5是根据本实用新型的一个实施例的物镜模块的爆炸图。

图6是根据本实用新型的一个实施例的物镜模块的结构示意图。

标注说明：

100、针极模块；200、原子炉模块；300、物镜模块；400、真空接口模块400；101、底板；102、立柱；103、绝缘板；104、针极固定座；105、针极；106、斜面；107、矩形凹槽；108、凸盖；109、螺钉；110、原子炉电缆固线夹；111、直流滤波板；112、第一接线端子；113、第二接线端子；114、原子炉电缆过线槽；115、直流电极电缆过线槽；116、位移台电缆过线槽；117、安装槽；118、原子炉电缆过线孔；201、原子炉支架；202、基座底板；203、基座支架；204、原子炉；301、位移台；302、物镜；303、物镜支架；304、物镜压环；305、物镜安装板；401、真空法兰；402、原子炉电气接口；403、射频电气接口；404、直流电气接口；405、位移台电气接口；406、原子炉电源馈通；407、射频馈通；408、直流馈通；409、位移台电源馈通。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在以下的详细描述中，可以参看作为本实用新型一部分用来说明本实用新型的特定实施例的各个说明书附图。在附图中，相似的附图标记在不同图式中描述大体上类似的组件。本实用新型的各个特定实施例在以下进行了足够详细的描述，使得具备本领域相关知识和技术的普通技术人员能够实施本实用新型的技术方案。应当理解，还可以利用其它实施例或者对本实用新型的实施例进行结构、逻辑或者电性的改变。

图1示意性的示出了本实用新型的一个实施例的针极离子阱系统的结构示意图，图2示意性的示出了实用新型的一个实施例的针极离子阱系统的爆炸图，结合图1和图2所示，本实用新型提出的针极离子阱系统包括针极模块100、原子炉模块200、物镜模块300和真空接口模块400；其中，

针极模块100包括由底板101和两个立柱102构成的针极支架，原子炉模块200包括原子炉基座和原子炉支架201，物镜模块300包括位移台301和物镜302，真空接口模块400包括真空法兰401；其中，

底板101安装在真空法兰401上，两个立柱102对称安装在底板101上，两个立柱102上各设有一个针极固定座104，每个针极固定座104上设有针极组，每个针极组包括平行设置的三根针极105，三根针极105的针尖位于同一条水平线上，两个针极组的中心针极同轴设置；

原子炉基座包括基座底板202和垂直设置在基座底板202上的基座支架203，基座底板202位于针极模块100的两个立柱102之间，并固定在针极模块100的底板101上，原子炉支架201与基座支架203连接，原子炉支架201上设有对称安装的两个原子炉204；

两个位移台301对称设置在原子炉模块200两侧，并安装在底板101的安装槽117上，位移台301上设有物镜支架303，物镜302安装在物镜支架303上，物镜压环304与物镜支架303相配合地固定物镜302。

本实用新型提出的针极离子阱系统设计合理，将针极模块100、原子炉模块200、物镜模块300和真空接口模块400进行一体化设计，该系统能够直接与具有标准刀口法兰的真空腔体连接，安装维护简单，且易于实现产品化。并且该系统集成度高、性能稳定，走线清晰。进一步的该系统将物镜302安装在真空腔内，提高了荧光收集效率。

图3示意性地提出了本实用新型的一个实施例的针极模块的结构示意图，如图3所示，针极固定座104上设有三个固定孔，三个固定孔等间距设置，三个固定孔的孔径与针极105直径相适应。能够确保三根针极105的平行度和轴共面性。

如图3所示的实施例，立柱102的顶部为30°～60°的斜面106，在本实用新型的实施例中，斜面106为45°。斜面106设有矩形凹槽107，针极固定座104内设于矩形凹槽107内。

如图3所示的实施例，针极模块100还包括针极压块，针极压块包括与针极固定座104形状和位置相适应的凸盖108，凸盖108压在针极固定座104上方，针极压块的两端设有螺钉109，斜面106设有螺孔，螺钉109与螺孔相配合将针极压块固定在斜面106上。这样通过针极固定座104与凸盖108的设计实现了对三根针极105轴向和径向的控制，有效避免了针极105发生轴向或径向的位移。

在本实用新型的实施例中，针极支架采用奥氏体不锈钢材料制作。

如图3所示的实施例，两个立柱102的内侧分别设有绝缘板103，绝缘板上设有原子炉电缆固线夹110，用于固定原子炉204的电缆，增加了安全性和可靠性；

两个立柱102的外侧分别设有直流滤波板111，直流滤波板111上设有滤波电路，用于对直流电压进行高频噪声的滤波处理。也就是说，直流电压在输入到直流电极之前，先经过直流滤波板111，进行高频噪声的滤波处理，然后再输入直流电极。

通过在立柱102内外侧设置绝缘板和直流滤波板111能够有效的节省空间，并且使走线工整，不易发生缠绕。

在本实用新型的一些实施例中，绝缘板采用陶瓷材料制作，能够将原子炉204与针极支架进行绝缘隔离，防止短路；直流滤波板111采用陶瓷基底印刷电路板工艺制作。针极固定座104用陶瓷制作，能够避免针极105之间发生短路。

在本实用新型的实施例中，针极组包括两根直流电极和一根射频电极，射频电极位于两根直流电极之间；射频电极的尾部设有第一接线端子112，用于连接射频电极和射频电缆，直流电极的尾部设有第二接线端子113，用于连接直流电极和直流电缆。

图4示意性地提出了本实用新型的一个实施例的原子炉模块的结构示意图，如图4所示，原子炉支架201为工字形支架，在原子炉支架201的两侧设有两个对称的倾斜向上的圆孔，圆孔与原子炉支架201上的定位螺丝固定原子炉204。原子炉204包括金属管，管内用于填充囚禁离子的材料，金属管一端开口，另一端密封，管内填充含有囚禁离子的材料。开口端对准针极离子阱系统的囚禁区域。当原子炉204进入工作状态时，使电流从金属管流过，基于焦耳定律将金属管加热，使得其中的材料受热产生原子蒸汽，并从开口的一端喷出。因此，原子炉204金属管两端需分别连接电源的正负极。在本实用新型的一些实施例中，原子炉基座采用陶瓷材料制作，原子炉支架201采用不锈钢材料制作。

如图4所示的实施例，原子炉的开口端固定在原子炉支架201上，通过原子炉支架201上的接地端子，连接电源的负极；原子炉的密封端设有接线端子，用于连接电源的正极。

在本实用新型的一些实施例中，对称设置了两个原子炉204，可以填充不同种类的材料，实现不同离子的加载囚禁。

如图2所示的实施例中，真空法兰401下方设有原子炉电气接口402、射频电气接口403、直流电气接口404和位移台电气接口405，原子炉电气接口402、射频电气接口403、直流电气接口404和位移台电气接口405分别通过刀口法兰与原子炉电源馈通406、射频馈通407、直流馈通408和位移台电源馈通409密封连接。

如图2所示的实施例中，原子炉电源馈通406通过原子炉电缆与原子炉的接线端子和接地端子连接，其中，原子炉电缆从针极支架上的原子炉电缆过线槽114和原子炉电缆过线孔118中穿过；直流馈通408通过直流电缆分别与直流滤波板111的直流的接线端和接地端连接，其中直流电缆从针极支架上的直流电极电缆过线槽115穿过；射频馈通407分别通过射频电缆与两个射频电极的接线端子连接，其中，射频馈通407到两个射频电极的距离相等；位移台电源馈通409通过集成排线与两个位移台301连接，集成排线从针极支架上的位移台电缆过线槽116穿过。

具体来说，原子炉电气接口402与原子炉电源馈通406密封连接，原子炉电源馈通406有若干电芯，分别通过原子炉电缆与两个原子炉204的接线端子和接地端子连接，向原子炉204提供工作电源。原子炉电缆从针极支架上设置的原子炉电缆过线槽114和原子炉电缆过线孔118中穿过；直流馈通408有若干电芯，通过直流电缆分别与两块直流滤波板111的直流接线端连接，向直流电极提供直流电压。同时另有一路电芯与两个直流滤波板111的接地端连接，提供直流滤波所需的接地。直流电缆从针极支架上设置的直流电极电缆过线槽115穿过；射频接口与射频馈通密封连接，射频馈通有两个电芯，分别通过射频电缆与两根射频电极尾部的接线端子连接。通过合理化的设计，从射频馈通407到两个射频电极的距离完全一致，使得两个射频信号传输路径完全一致，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405与位移台电源馈通409密封连接，位移台电源馈通409设置有多芯D形接口，通过集成排线与两个位移台301连接，用于向位移台301出控制信号，进行物镜302焦距和准直度的调节校准。集成排线从针极支架上设置的位移台电缆过线槽116穿过。

结合图2和图3所示的实施例，原子炉电缆过线槽114和直流电极电缆过线槽115位于底板101的侧面；位移台电缆过线槽位于底板101的中间；原子炉电缆过线孔118位于位移台电缆过线槽116的侧面，靠近立柱102。

图5示意性地示出了本实用新型的一个实施例的物镜模块的结构示意图，图6示意性地示出了本实用新型的一个实施例的物镜模块的整装图，结合图3、图5和图6所示，物镜模块300包括物镜302、物镜支架303、物镜压环304和位移台301，其中，物镜压环304与物镜支架303构成环形空间，环形空间用于容纳物镜302，物镜支架303固定在位移台301上；

物镜模块300位于真空腔内，真空腔内还设置有用于形成离子囚禁区域的离子阱装置，物镜302的进光口对准离子阱装置的囚禁区域，也就是说，物镜302的进光口对准所述针极离子阱系统的囚禁区域，物镜302的出光口对准所述真空腔上的视窗。

相较于目前将物镜302设置在真空腔外收集荧光，本实用新型提出的物镜模块300将物镜302设置在真空腔内，物镜302的荧光收集效率大幅提高，克服荧光收集效率低下、无法进一步提高的瓶颈，并且本实用新型提出在真空腔内设置两个物镜模块300，能够实现从两个方向同时收集离子荧光。

如图5所示的实施例中，物镜压环304包括第一半环形结构，第一半环形结构的两端的端面上设有凸柱，物镜支架303包括第二半环形结构，第二半环形结构的两端的端面上设有凹槽，凸柱的位置与所述凹槽的位置相对应，凸柱内嵌于凹槽中。凸柱的上方设有螺孔，螺孔与紧固件相配合以固定凸柱和凹槽。这样物镜302能够稳定的固定在物镜压环304与物镜支架303构成的环形空间内。

在本实用新型的一些实施例中，物镜支架303的下方设有多个第一类螺孔，位移台301上设有与第一类螺孔的位置和数量相适应的第二类螺孔，第一类螺孔、第二类螺孔和螺钉相配合以固定物镜支架303和位移台301。

在本实用新型的一些实施例中，第一类螺孔和第二类螺孔的数量均为四个，四个第二类螺孔分布在位移台301的四个角上。第一类螺孔和第二类螺孔的数量可由实际情况确定。

如图2和图5所示的实施例，物镜模块300还包括物镜安装板305，物镜302安装在物镜安装板305上，物镜安装板305位于离子阱的支架上，即物镜安装板305固定在针极模块的底板101上。

在本实用新型的一些实施例中，物镜302包括真空兼容的物镜，位移台301包括超高真空兼容的压电陶瓷微距位移台。

本实用新型还提出一种量子计算设备，包括用于离子阱的物镜装置，用于离子阱的物镜装置包括如上所述的物镜模块300，物镜装置的数量为两套，两套物镜装置对称地安装在囚禁区域的两侧。

本实用新型提出的用于离子阱的物镜装置通过在真空腔内设置两套物镜模块300，实现了从两个方向手机离子荧光，并且将物镜302设置在真空腔内，能有效提高离子荧光收集效率，避免因物镜302与离子之间的真空视窗降低光子透射率。

本实用新型还提出一种针极离子阱系统的装配方法，针极离子阱系统包括如上所述的针极离子阱系统；装配时，先将针极模块100、原子炉模块200和物镜模块300安装在真空接口模块400上形成初级的针极离子阱系统，再将初级的针极离子阱系统放置在真空腔内。

以上通过多个实施例描述了本实用新型实施例的针极离子阱系统的结构特点及技术优势。下面大致描述本实用新型实施例的针极离子阱系统的工作流程。

原子炉接通电源后开始升温，当温度达到要求后连续向针极阱中心喷射原子蒸汽，针极离子阱系统外围的激光源发射激光将原子蒸汽离化为离子，而后离子在针极离子阱的中心被囚禁。

综上所述，本实用新型提出的针极离子阱系统能够实现针极的精密装配对位，使针极在轴向、径向稳定固定，避免在使用过程中发生位置偏移；真空腔内电气走线安全可靠，布置合理，能够有效避免遮挡激光入射；将物镜302放在真空腔内，有效提高离子荧光收集效率；装配时，将针极模块100、物镜模块300、原子炉模块200和真空接口模块400安装好后，在安装真空腔，操作方便，能够有效避免线路缠绕。

上述实施例仅供说明本实用新型之用，而并非是对本实用新型的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此，所有等同的技术方案也应属于本实用新型公开的范畴。

Claims (9)

1.一种用于离子阱的物镜装置，其特征在于，包括物镜、物镜支架、物镜压环和位移台，其中，所述物镜压环与所述物镜支架构成环形空间，所述环形空间用于容纳所述物镜，所述物镜支架固定在所述位移台上；

所述物镜装置位于真空腔内，所述真空腔内还设置有用于形成离子囚禁区域的离子阱装置，所述物镜的进光口对准所述离子阱装置的囚禁区域，所述物镜的出光口对准所述真空腔上的视窗。

2.根据权利要求1所述的用于离子阱的物镜装置，其特征在于，所述物镜压环包括第一半环形结构，所述第一半环形结构的两端的端面上设有凸柱，所述物镜支架包括第二半环形结构，所述第二半环形结构的两端的端面上设有凹槽，所述凸柱的位置与所述凹槽的位置相对应，所述凸柱内嵌于所述凹槽中。

3.根据权利要求2所述的用于离子阱的物镜装置，其特征在于，所述凸柱的上方设有螺孔，所述螺孔与紧固件相配合以固定所述凸柱和所述凹槽。

4.根据权利要求1所述的用于离子阱的物镜装置，其特征在于，所述物镜支架的下方设有多个第一类螺孔，所述位移台上设有与所述第一类螺孔的位置和数量相适应的第二类螺孔，所述第一类螺孔、所述第二类螺孔和螺钉相配合以固定所述物镜支架和所述位移台。

5.根据权利要求4所述的用于离子阱的物镜装置，其特征在于，所述第一类螺孔和所述第二类螺孔的数量均为四个，四个所述第二类螺孔分布在所述位移台的四个角上。

6.根据权利要求1所述的用于离子阱的物镜装置，其特征在于，所述物镜装置还包括物镜安装板，所述位移台安装在所述物镜安装板上。

7.根据权利要求6所述的用于离子阱的物镜装置，其特征在于，所述物镜安装板位于离子阱的支架上。

8.根据权利要求1所述的用于离子阱的物镜装置，其特征在于，所述位移台包括超高真空兼容的压电陶瓷微距位移台。

9.一种量子计算设备，其特征在于，包括如权利要求1-8任一所述的用于离子阱的物镜装置，所述物镜装置的数量为两套，两套所述物镜装置对称地安装在囚禁区域的两侧。