JP2021533345A - 円柱光学系を用いた楕円ビーム設計 - Google Patents

円柱光学系を用いた楕円ビーム設計 Download PDF

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Abstract

本開示は、量子情報処理（ＱＩＰ）システムを含む、異なる用途で使用され得る円柱光学系を用いた楕円ビーム設計のための技術の様々な態様を説明する。一態様では、開示は、第一の焦点距離を有する第一の光学構成と、第二の焦点距離を有し、第一の方向に整列された第二の光学構成と、第三の焦点距離を有し、第一の方向に直交する第二の方向に整列された第三の光学構成とを有する光学システムを説明する。光学システムは、１つまたは複数の光ビーム（例えば、円形または楕円）を受け取り、１つまたは複数の楕円ガウス光ビームを画像化するために、１つまたは複数の光ビームに、第一の方向および第二の方向に異なる倍率を適用するように構成される。また、上述したようなシステムを用いて楕円光ビームを生成する方法も開示される。【選択図】図４Ａ

Description

（関連出願の相互参照）
本特許出願は、２０１９年７月２９日に出願された「円柱光学系を用いた楕円ビーム設計」と題する米国非仮出願第１６／５２４，６３７号、および２０１８年７月３０日に出願された「円柱光学系を用いた楕円ビーム設計」と題する米国仮特許出願第６２／７１１，９９５号の優先権を主張するものであり、その内容はその全体が参照により本明細書に組み込まれる。
本開示の態様は、一般に、光学システムに関し、より具体的には、楕円ビーム設計のために円柱光学系を使用する光学システムに関する。
トラップされた原子またはイオンは、量子情報処理に使用される主要な実装の１つである。トラップイオンに基づく量子ビット（キュービット）は量子メモリとして、量子計算機やシミュレータの量子ゲートとして利用でき、量子通信ネットワークのノードとして機能できる。しかしながら、量子ビットにトラップされたイオンを使用するシステムは、個々の量子ビットに格納された量子情報を操作するために、レーザ位相、周波数、振幅、および／または偏光を正確に制御することを必要とする。トラップイオンは、そのようなレベルの操作を可能にするために、個別のアドレス指定を必要とすることがあり、またトラップイオンは、互いに非常に近接して配置されるので、光学システムは、レーザまたは光ビームの焦点を特定のイオンに合うように改善して、そのイオンをより良好に操作できるようにすることが望ましい。
以下では、１つまたは複数の態様の簡略化された発明の概要を提示し、そのような態様の基本的な理解を提供する。この発明の概要は、すべての企図された態様の広範な概観ではなく、すべての態様の主要または重要な要素を識別するものでも、任意のまたはすべての態様の範囲を線引きすることを意図するものでもない。その目的は、後に提示されるより詳細な説明の前置きとして、１つまたは複数の態様のいくつかの概念を簡略化された形態で提示することである。
一般に、円柱光学系を使用する楕円ビーム設計のためのシステムおよび方法を説明する。この光学系は、例えば、量子情報処理（ＱＩＰ）システムを含む異なるタイプのシステムで使用することができる。
一例では、第一の焦点距離を有する第一の光学部品と、第二の焦点距離を有し、第一の方向に整列された第二の光学部品と、第三の焦点距離を有し、第一の方向に直交する第二の方向に整列された第三の光学部品とを含み、光学システムが、１つまたは複数の光ビームを受け取り、１つまたは複数の楕円ガウス光ビーム（単に楕円光ビームまたは楕円ビームとも呼ばれる）を結像するために、第一の方向および第二の方向に異なる倍率を１つまたは複数の光ビームに適用するように構成される、楕円光ビームを生成するための光学システムが説明される。光学システムによって受け取られる１つまたは複数の光ビームは、円形ガウス光ビームまたは楕円ガウス光ビームとすることができる。
別の例では、光学システムによって、第一の焦点距離を有する第一の光学部品と、第二の焦点距離を有し、第一の方向に整列された第二の光学部品と、第三の焦点距離を有し、第一の方向に直交する第二の方向に整列された第三の光学部品とを含む、１つまたは複数の光ビームを受信することを含む、楕円光ビームを生成するための方法が説明される。この方法は、光学システムによって、１つまたは複数の楕円ガウス光ビームを結像するステップをさらに含み、光学システムは、１つまたは複数の楕円ガウス光ビームを結像するために、１つまたは複数の光ビームに第一の方向および第二の方向に異なる倍率を適用するように構成される。光学システムによって受け取られる１つまたは複数の光ビームは、円形ガウス光ビームまたは楕円ガウス光ビームとすることができる。
添付の図面は、いくつかの実施態様のみを示しており、したがって、範囲を限定するものと見なされるべきではない。
光ビームで表面トラップ内の量子ビットをアドレス指定するための１つの可能な構成を示すダイアグラムである。 光ビームで表面トラップ内の量子ビットをアドレス指定するための１つの可能な構成を示すダイアグラムである。 サンディア国立研究所で製造された高光学アクセス（ＨＯＡ）トラップの現在の幾何形状の例を示す走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像である。 本開示の態様に従って、円形ガウス光ビームを示すダイアグラムである。 本開示の態様に従って、楕円ガウス光ビームを示すダイアグラムである。 望遠鏡の基本構成を示すダイアグラムである。 本開示の態様に従って、互いに直交して整列された共通の球面レンズおよび２つの円柱レンズを使用して楕円光ビームを画像化するための光学システムの基本設計の一例を示すダイアグラムである。 本開示の態様に従って、図４Ａにおける２つの円柱レンズの直交整列を示すダイアグラムである。 本開示の態様に従って、正の円柱レンズを示すダイアグラムである。 本開示の態様に従って、負の円柱レンズを示すダイアグラムである。 本開示の態様に従って、負の焦点距離（凹レンズ）を有する円柱レンズを用いて虚像を作成する例を示すダイアグラムである。 本開示の態様に従って、光ビームを再び画像化するための撮像システムの一例を示すダイアグラムである。 本開示の態様に従って、楕円光ビームの画像化に関連して音響光学変調器（ＡＯＭ）を使用する回折光ビームの周波数依存性の一例を示すダイアグラムである。 本開示の態様に従って、コンピュータ装置の一例を表すダイアグラムである。 本開示の態様に従って、量子情報処理（ＱＩＰ）システムの一例を示すブロック図である。 本開示の態様に従って、光学コントローラの一例を示すブロック図である。 本開示の態様に従って、方法の一例を示すフロー図である。
添付の図面に関連して以下に記載される詳細な説明は、様々な構成の説明として意図されており、本明細書で説明される概念が実施され得る唯一の構成を表すことを意図していない。詳細な説明は、様々な概念の完全な理解を提供する目的で、特定の詳細を含む。しかしながら、これらの概念は、これらの特定の詳細なしに実施されてもよいことは、当業者には明らかであろう。場合によっては、そのような概念を曖昧にすることを避けるために、周知の部品がブロック図の形態で示される。
上述したように、トラップイオンは、量子情報処理システム（またはＱＩＰシステム）を実施するために使用されてもよい。トラップイオンに基づく量子ビットは、非常に良好なコヒーレンス特性を有することができ、ほぼ１００％の効率で準備して、測定することができ、光場およびマイクロ波場などの適切な外部制御場とのクーロン相互作用を変調することによって、互いに容易に絡み合うことができる。本開示で使用されるように、用語「原子イオン」、「原子」、「イオン化原子」、および「イオン」は、結晶、格子、チェーン、または同様の配置もしくは構成を形成するためにトラップ内に閉じ込められることになるか、または実際に閉じ込められている粒子を説明するために互換的に使用されることがある。さらに、用語「レーザビーム」、「光ビーム」、「レーザ」、「ビーム」、および「場」は、トラップ内のイオンなどの閉じ込められたイオンの態様を制御するために使用される何らかの形態の照明を説明するために互換的に使用されることがある。
ＱＩＰシステムでは、光ビームの位相、周波数、振幅、および／または極性（例えば、偏光）の正確な制御が、結晶またはチェーンのイオン（例えば、キュービット）に格納された量子情報を操作するために必要とされる。一態様では、光ビームを対応するイオン上に正確に集束させる能力を有するが、他のイオンに適用される他の光ビームとのクロストークを引き起こすことも、および／またはトラップによる光ビームのクリッピングを引き起こすこともないことが非常に望ましい。
本開示は、クロストークおよび／またはクリッピングの問題を回避することができる高集束楕円ビームを設計するための技術を、方法またはプロセスおよび機器または装置も含めて、説明する。これらの技術では、楕円光ビームは、光ビームがイオンおよびイオンを保持するトラップと、より良好に相互作用できるように、円柱光学系を使用して形成される。そのような技術は、トラップイオンを使用するＱＩＰシステムに向けられているが、そのように限定される必要はなく、楕円光ビームが必要とされ得る様々な光学シナリオで使用されてもよい。
トラップイオンを操作するために光ビームを使用する場合、光ビームは、イオンが光ビームのウェスト（例えば、ビームウェスト）に正しく位置させるように、あるいは配置されるように集束されることが望ましい。イオンをビームウェストに位置させる１つの理由は、光ビームの強度がその点で最も高いことである。別の理由として、ビームウェストは、光ビームが最小のスポットサイズを有する場所であるため、光ビームが近接または隣接する光ビームと重なり合ってクロストークを引き起こす可能性が低いからである。加えて、光ビームの強度のプロファイルはガウス形状であるため、光ビームまたはイオンが互いに対して移動し、イオンが強度のピークに位置する場合、全体的な相互作用は、わずかな相対的移動に鈍感であるが、イオンがガウス形状の強度プロファイルのエッジのうちの１つに位置する場合、全体的な相互作用は、わずかな相対的移動に非常に鈍感である。さらに、光ビームの波面は、ビームウェストにおいてほぼ平坦であり、このことは、非常に望ましい。
図１Ａおよび図１Ｂは、それぞれ、光ビームを使用して、表面トラップ（表面イオントラップとも呼ばれる）内の量子ビットを個別にアドレス指定するための可能な２つの構成を表すダイアグラム１００ａおよび１００ｂを示す。表面トラップでは、トラップ内のイオンを使用して、実装される量子ビットを個別にアドレス指定するために、タイトに集束された光ビーム（例えば、レーザビーム）を取り込む必要がある場合がある。上述したように、イオンは、タイトに集束された光ビームのビームウェストに位置するか、または配置されることが望ましい。その１つの方法は、図１Ａのダイアグラム１００ａに示す光学構成を使用することであり、その１つは、光ビーム１４０のビームウェスト１４５がイオン１５０の位置で正確に生じるように、表面トラップ１１０の表面の電極１２０の間にスロット１３０を通して光ビーム１４０（破線）を導くことである。この構成は、光ビーム１４０がトラップ基板の浅い深さをクリアするだけでよいので、タイトに集束された光ビームが可能になる。光ビーム１４０のようなタイトに集束された光ビームの場合、ビーム発散角（例えば、ビームウェストからの発散）は、
Figure 2021533345
 によって与えられる。ここで、λは光の波長であり、ｗ０はビームウェスト１４５のような最もタイトに集束されたスポットの半径を表すビームのウエストである。したがって、この構成では、光ビーム１４０は、イオン１５０が位置するビームウェスト１４５でタイトに集束させることができ、表面トラップ１１０が小さい厚さを有するので、表面トラップ１１０と相互作用する光ビーム１４０がなくても（例えば、クリッピングがない）、スロット１３０を通過することができる。
ダイアグラム１００ａ（およびダイアグラム１００ｂ）は、表面トラップ１１０の断面図を提供し、表面トラップ１１０は、追加のイオン１５０をダイアグラム１００ａの平面内および／または平面外に保持することができることを理解されたい。したがって、表面トラップ１１０については、表面トラップ１１０の追加のイオン１５０を操作するために使用される追加の光ビーム１４０があってもよい（図示せず）。種々の光ビーム１４０は、上面から提供され（例えば、図１Ａのダイアグラム１００ａの矢印方向を参照）、クロストークを引き起こすことなく、および／または、表面トラップ１１０をクリッピングすることなく、それらのそれぞれのイオン１５０（例えば、ビームウェスト１４５）の位置または場所にタイトに集束することができるため、この構成は、光ビームを使用して、表面トラップ内の量子ビットを個々にアドレス指定するのに有効である。
しかしながら、図１Ｂのダイアグラム１００ｂに示すように、特定のシステムアーキテクチャを使用することも含め、光ビーム１４０を表面トラップ１１０の表面に沿って導く（例えば、表面トラップ１１０の表面をスキミングする）ための様々な理由があり得る。この構成は、光ビーム１４０が上面（例えば、垂直）から持ち込まれる図１Ａのダイアグラム１００ａに示される構成とは異なる。この構成では、光ビーム１４０が表面トラップ１１０の表面を横切って（例えば、電極１２０を越えて）スキミングするので、光ビーム１４０の発散は、表面トラップ１１０のエッジでのクリッピングにつながる可能性がある。これは、光ビーム１４０がビームウェスト１４５における集束点から発散または回折し（例えば、集束が少なくなる）、光ビーム１４０が表面トラップ１１０のいずれかの側の電極１２０と干渉するダイアグラム１１０ｂに示されている。このクリッピングは、光ビーム１４０に影響を及ぼし、イオン１５０を制御するのに役立たない場合がある。その結果、この構成を用いて光ビーム１４０上で達成することができる集束の量は、発散角がビームウェスト１４５のサイズに反比例するので、タイトに集束された光ビームが表面トラップ１１０をクリップできるという事実によって制限される。
この問題を回避するために、表面トラップ１１０の幅をこの方向（例えば、図１Ｂのダイアグラム１００ｂの矢印方向）に狭めて、クリッピングを最小化または回避することが可能である。しかしながら、この構成を使用して達成され得る最小の集束スポット（例えば、ビームウェスト１４５）は、図１Ａのダイアグラム１００ａに示す構成で達成され得るものよりもはるかに大きくなる傾向があるため、この技術でさえ制限される。
表面トラップ１１０の幅を狭くする一例を、図１Ｃのダイアグラム１００ｃに示す。ダイアグラム１００ｃは、表面トラップ１１０の一例の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を示す。この場合は、サンディア国立研究所で製造された高光学アクセス（ＨＯＡ）トラップである。中央に沿った黒線は、スロット１６０（例えば、図１Ａのダイアグラム１００ａのように、光ビーム１４０を、表面トラップを介して垂直に導くことができるように開いた穴）であり、イオン１５０は、スロット１６０の長さに沿って直線的にトラップされている。スロット１６０は、数ミリメートル（ｍｍ）の長さとすることができ、イオン１５０を捕捉するためには、ほんの一部しか使用されない。例えば、量子ビットとして３２個のイオンを使用し、これらのイオンが約５マイクロメートル（μｍ）だけ分離されているＱＩＰシステムでは、スロット１６０の全長の約１５０μｍだけが使用される。
イオン１５０は、電極１２０が生成する電界によって、表面トラップ１１０の表面上にトラップされる（例えば、図１Ａおよび図１Ｂのダイアグラム１００ａおよび１００ｂをそれぞれ参照）。いくつかの例では、イオン１５０は、表面トラップ１１０の表面の約７０μｍ程度上方にトラップされてもよい。図１Ｃのダイアグラム１００ｃに示す表面トラップ１１０（例えば、ＨＯＡトラップ）では、トラッピング領域の幅は、峡部（ｉｓｔｈｍｕｓ）の形状で、中央で小さくなっており（例えば、２つのＹの端部の間の狭い部分）、表面トラップ１１０の表面に沿って運ばれるときに、光ビームの適度な量の集束が可能になる。すなわち、表面トラップ１１０の幅を狭くすることによって、光ビーム１４０の発散部分が表面トラップ１００のエッジを外れ、クリッピングを回避することが可能である。
このセットアップを用いれば、光ビーム１４０（またはスロット１６０の長さに沿って複数のイオン１５０が存在し得るので、光ビーム１４０）を、光ビーム１４０がスロット１６０を通って表面に垂直にもたらされる場合（例えば、図１Ａのダイアグラム１００ａの構成）、半径約２μｍ（例えば、ビームウェスト半径）未満にして、また光ビーム１４０が表面トラップ１１０の表面に沿ってスキムする場合（例えば、図１Ｂのダイアグラム１００ｂの構成）、半径（例えば、ビームウェスト半径）約４μｍにして、実質的なビームのクリッピングを生じることなく、集束させることが可能であり得る。本明細書で使用されるように、用語「約」および「およそ」は、例えば、１％、２％、３％、５％、１０％、１５％、２０％、または２５％の範囲内の公称値からの変動を指すために互換的に使用され得る。垂直構成のための半径約２μｍ未満までの集束量は、望ましい範囲内であるが、水平（スキミング）構成のための約４μｍ半径までの集束量は、望ましい範囲内ではなくてもよいが、この構成でさらに集束することは、クリッピングを生じる結果となり得るので、不可能なこともある。
表面トラップを使用する典型的な量子計算セットアップでは、チェーン内のイオン１５０間の間隔は、典型的には、約３〜７μｍ（例えば、スロット１６０の長さに沿って、または図１Ａおよび１Ｂのダイアグラム１００ａおよび１００ｂの平面の内外で、それぞれ）である。したがって、個々のアドレス指定光ビーム１４０は、最小限のクロストークで正確なアドレス指定を保証するために、２〜３μｍ範囲未満の半径を有する集束ビームウェスト（例えば、ビームウェスト１４５）を特徴とすることが重要である。上述のように、クリッピングを伴わないこのレベルの焦点合わせは、図１Ａのダイアグラム１００ａの垂直構成において可能であり得るが、このようなレベルの焦点合わせは、図１Ｂのダイアグラム１００ｂの水平（スキミング）構成において制限され得る。
この開示は、個々のアドレス指定のために、チェーン内のイオンを分解するように、トラップチェーン方向に沿って（例えば、スロット１６０の長さに沿って）、タイトに収束された光ビーム１４０を達成するために使用され得る光学設計で、クリッピングを伴わずに、表面トラップチップの表面を横切って光ビームをスキミングさせるものの態様を記載する。
表面トラップ１１０の表面を横切って光ビーム１４０を導くとき（例えば、図１Ｂのダイアグラム１００ｂの構成のように）、表面トラップ１５０の表面に垂直な方向に沿って丸い、または円形の光ビーム（例えば、光ビーム１４０）を集束させるのに十分な開口数（角度アクセス）がないことがある。しかしながら、表面に平行な方向に沿って、イオン１５０が並んでいる方向である開口数が多く存在する場合がある。したがって、チェーンの長さに沿って非常にタイトに集束するが、表面トラップ１１０に垂直な方向に沿ってより大きな焦点スポットを有する楕円の光ビームを設計し、実装することが可能である。すなわち、光ビーム１４０が集束される平面（例えば、イオン１５０がビームウェスト１４５に位置する平面）では、光ビーム１４０は、他の光ビームとのクロストークを回避するためにイオン１５０の方向にタイトに集束させるだけでよく、クリッピングを回避するために垂直方向にあまり集束させる必要はない。
図２Ａおよび図２Ｂは、それぞれ本開示の態様による異なる光ビームを示すダイアグラム２００ａおよび２００ｂを示す。上述のように、光ビーム１４０が表面トラップ１１０のエッジをクリップする前に、表面トラップ１１０の表面（例えば、図１Ｂのダイアグラム１００ｂ）に沿って光ビーム１４０をスキミングする場合に、光ビーム１４０上で達成され得る集束の量に制限がある場合がある。これらの制限は、光ビームの形状によって異なる場合がある。
ダイアグラム２００ａは、表面トラップ１１０内のイオン１５０を操作するために丸い、または円形のガウス光ビームを使用する例を示している。この例では、３つのイオン１５０（例えば、イオン１５０ａ、１５０ｂ、および１５０ｃ）が、図１Ｃのダイアグラム１００ｃに示す表面トラップ１１０のスロット１６０の長さに沿ってトラップされ、約３〜７μｍの距離だけ互いに分離されて示されている。より多く、またはより少ないイオン１５０がトラップされてもよいが、例示の目的のために３つが使用されている。３つの別個の円形ガウス光ビーム１４０（例えば、光ビーム１４０ａ、１４０ｂ、および１４０ｃ）をそれぞれ用いて、イオン１５０を個々に操作する。光ビーム１４０は、ビームウェスト１４５（例えば、最小の光ビームスポット）がそれぞれのイオン１５０の位置で生じるように集束される。この例における光ビーム１４０は丸い、または円形のガウス光ビームであるので、光ビームの半径はｘ方向においても、ｙ方向においても同じである。ダイアグラム２００ａは、集束の量が制限されている場合（例えば、スポットサイズを小さくすることができない）、それらのそれぞれのイオン１５０における光ビーム１４０の半径は、十分に小さくなくてもよく、望ましくない重なり合いおよびクロストークを生じ得ることを示している。しかしながら、重なり合いは、ｘ方向（例えば、イオン１５０のチェーンの長さに沿って）にのみ生じる。
ダイアグラム２００ｂは、円形ガウス光ビームを使用する代わりに、イオン１５０のそれぞれが、楕円ガウス光ビーム１４０’（例えば、光ビーム１４０ａ’、１４０ｂ’、および１４０ｃ’）で個々にアドレス指定される例を示す。ｙ方向（例えば、表面トラップ１１０の垂直方向）における集束は、ｘ方向（例えば、イオン１５０のチェーンの長さに沿った）における集束よりも、ルーズにすることができる。このアプローチを使用すると、光ビーム１４０’は、クロストークを回避するために、ビームウェスト１４５においてｘ方向において十分に小さな半径と、表面トラップ１１０の縁部における光ビーム１４０’のクリッピングを回避するために、ｙ方向ビームウェスト１４５における十分に大きな、またはルーズな半径とを有することができる。したがって、表面トラップのイオン上に円形ガウス光ビームの代わりに楕円ガウス光ビームを画像化させることによって、表面トラップの表面を横切って光ビームをもたらす上述の構成も、クロストークまたはクリッピングを伴わずに、表面トラップ内の量子ビットを個々にアドレス指定するために有効に使用することができる。
本開示は、円柱光学系（例えば、円柱レンズ）を使用して楕円ガウス光ビームを生成し、発成し、または結像する光学設計の態様を説明し、このような光ビームは、表面トラップ内のイオンを制御または操作するために表面トラップの表面にわたって光ビームがもたらされるＱＩＰシステムを含む様々な用途で使用することができる。これらの光学設計は、ＱＩＰシステムでの使用に加えて、広い用途において適用可能性を見出し得る。
ＱＩＰシステムでは、サイズが比較的大きい（典型的には半径８０μｍ）個々のアドレス指定光ビームから開始することが可能である。システムの詳細に応じて、ビームウェストが約０．７〜２μｍの表面トラップにイオンをアドレス指定するためには、これらの光ビームを１／４０〜１／１００に縮小する必要がある。すなわち、個々のアドレス指定光ビームは、トラップされたイオン（例えば、イオン１５０）を効果的に制御するのに適切なサイズであるために、はるかに小さなビームウェストに集束される必要がある。光ビームを適切な倍率レベルＭにするための標準的なアプローチは、１つまたは複数の望遠鏡を使用することである。用語「倍率」とは、望遠鏡によって提供される集束の量を指すことができ、用語「縮小率」とは、より具体的には、光ビームのビームウェストが望遠鏡によって実際に縮小される倍率の大きさを指すことができる（例えば、Ｍ＜１）。
図３は、光学システム、この場合、望遠鏡３００の基本的な配置を示す。この例では、望遠鏡３００は、第一の光学部品３１０および第二の光学部品３２０を含む。一例では、望遠鏡３００は、表面トラップ（例えば、表面トラップ１１０）内のイオン４５０上に光ビーム（例えば、光ビーム１４０）を集束させるために使用されてもよい。第一の光学部品３１０は第一のレンズとすることができ、第二の光学部品は第二のレンズとすることができる。２つのレンズの焦点距離は異なり、第一のレンズの焦点距離はｆ１で、第二のレンズの焦点距離はｆ２である。第一のレンズは、ｆ１の間隔を有するソースオブジェクト（例えば、大きなサイズの個別のアドレス指定光ビームのソース）から配置され、第二のレンズはｆ１＋ｆ２の間隔を空けて第一のレンズから配置される。画像は、
Figure 2021533345
 によって与えられる縮小率ｍで第二のレンズからｆ２だけ離れて形成される。上述のように、２つ以上の望遠鏡を使用して、光学システム内の所望の距離または位置で適切な拡大または縮小を達成することができる。
大きなサイズの個々のアドレス指定光ビームをとり、イオン上にそれを集束させて、イオンでの光ビームが、他の光ビームとのクロストークを回避し、かつ表面トラップとのクリッピングも回避する楕円ガウス光ビーム（例えば、図２Ｂのダイアグラム２００ｂにおける光ビーム１４０’）であるようにすると、光学システムまたは撮像システムは、水平方向および垂直方向（例えば、ｘ方向、ｙ方向）に沿って異なる２つの倍率を有する必要がある。これを達成するための１つの方法は、各方向（水平および垂直）に対して異なる倍率を有する異なる円柱レンズを使用することである。
円柱レンズの２つの独立した対で、垂直方向のための１つの対および水平方向のための１つの対（例えば、図２Ａおよび図２Ｂのそれぞれのダイアグラム２００ａおよび２００ｂにおけるｘ方向およびｙ方向）が使用される場合、２つの異なる倍率を有する望遠鏡または光学システム、または一方が一方向の倍率を有し、他方が直交方向の倍率を有する本質的に２つの一致する望遠鏡を構築することが可能である。第一の望遠鏡は２つの光学部品を含み、その第一は焦点距離ｆ１を有する第一の円柱レンズであり、その第二は焦点距離ｆ２を有する第二の円柱レンズである。第二の望遠鏡は、２つの光学部品を含み、その第一は焦点距離ｆ１’を有する第一の円柱レンズであり、その第二は、焦点距離ｆ２’を有する第二の円柱レンズである。円柱レンズの２つの独立した対が同じ位置（例えば、イオン１５０が位置するビームウェスト１４５で）で画像を形成するためには、水平方向と垂直方向の望遠鏡の全長が同じであることも重要である。これらの制約は、以下：
Figure 2021533345
 のように定式化することができる。
最初の２つの条件は２つの望遠鏡の倍率を設定し、最終的な条件は２つの方向に対して同じ平面（例えば、イオン１５０が位置する平面）で画像が形成されることを保証する。パラメータａは、最終的に、得られるガウス光ビームの楕円率をもたらすであろう２つの倍率（例えば、楕円比）の比を定義する。これらの方程式を解くことにより、円柱レンズの対の焦点距離の関係は、以下：
Figure 2021533345
 のようになる。
Ｍ、ａＭ＞＞１のような大きな倍率ＭおよびａＭの場合は、以下：
Figure 2021533345
 である。
この制限では、第一の望遠鏡の第一の円柱レンズと第二の望遠鏡の第一の円柱レンズ（例えば、２つの望遠鏡の第一段）は、基本的に同じ焦点距離を有し、焦点距離
Figure 2021533345
 の単一球面レンズで置き換えることができる。そして、第一の望遠鏡の第二の円柱レンズと第二の望遠鏡の第二の円柱レンズとは、それぞれ、水平方向（例えば、ｘ方向にルーズな焦点）と垂直方向（例えば、ｙ方向にタイトな焦点）について、異なった焦点距離ｆ２’とａｆ２’とを有する。
図４Ａは、共通の球面レンズと、互いに直交して整列された２つの円柱レンズとを使用して楕円光ビームを画像化するための、光学システム４００の基本設計の一例を示す。光学システム４００は、上述の一致する望遠鏡の実装である。例えば、光学システム４００は、球面レンズであり得る第一の光学部品４１０と、第一の方向（例えば、ｙ方向）に沿って倍率を有する第一の円柱レンズであり得る第二の光学部品４２０と、第一の方向に直交する第二の方向（例えば、ｘ方向）に沿って倍率を有する第二の円柱レンズであり得る第三の光学部品４３０とを含む。この点に関し、図４Ｂは、光学システム４００の２つの円柱レンズ（例えば、光学部品４２０および４３０）の直交整列を表すダイアグラム４６０を示し、ここで、一方は伝搬方向であるｚ方向に沿って他方に追従する。ダイアグラム４６０は、レンズが直交または垂直であるという概念を単に説明するためのものであり、円柱レンズのサイズおよび／または形状を説明することを意図するものではない。加えて、図４Ｃは、１つのタイプの円柱レンズ、ｚ方向に沿った焦点距離ｆを有する正の円柱レンズ４７５を表すダイアグラム４７０を示し、図４Ｄは、別のタイプの円柱レンズ、すなわちｚ方向に沿った焦点距離ｆを有する負の円柱レンズ４８５を表すダイアグラム４８０を示す。正の円柱レンズ４７５は、正の焦点距離を有する円柱レンズであり、光（例えば、光ビーム）を一次元または一方向に集束または集光する。負の円柱レンズ４８５は、負の焦点距離（例えば、凹レンズ）を有する円柱レンズであり、光（例えば、光ビーム）を一次元または一方向に発散させる。第一の円柱レンズ（例えば、第二の光学部品４２０）および第二の円柱レンズ（例えば、第三の光学部品４３０）は、いずれも、図４Ｃのダイアグラム４７０に関連して上述した正の円柱レンズ４７５のような正の円柱レンズであってもよい。
光学システム４００における球面レンズと第一の円柱レンズとの組合せは、一致する望遠鏡のうちの一方の機能を提供し、光ビーム（点線）を垂直またはｙ方向にルーズに集束または画像化させ、一方、球面レンズと第二の円柱レンズとの組合せは、一致する望遠鏡のうちの他方の機能を提供し、光ビーム（実線）を水平またはｘ方向にタイトに集束または画像化させる。光学システム４００によって、確実に、２つの方向に対して画像が同一平面（例えば、イオン４５０が位置する平面）で形成される。したがって、実像は、イオン４５０が存在する点または面において、光学システム４００によって形成され得る。
正の円柱レンズ（例えば、光学部品４２０、４３０）を使用することによって、実像を形成するいくつかの利点があり得る。それらは、いくつかの実用的な機能のために使用することができる。例えば、正の円柱レンズを使用して実像を形成することにより、診断ツール（例えば、カメラまたはビームプロファイラー）を使用して、円柱撮像光学系の品質または光ビームの全体的な品質（例えば、画質測定、分析）を検証することができる。正の円柱レンズの使用による回折効果は限られていることもあるが、これは診断ツールを使用することによって検証することができる。また、空間フィルタなどの他の光学部品または要素を追加することも、（例えば、散乱、収差を除去するために）、実像面に開口部を配置することも、あるいは視野レンズを使用することも可能である。視野レンズは、対物レンズの後ろで、画像平面の前に来る正のパワーレンズまたはレンズ群である。
図４Ａの光学システム４００に関連して上述した設計を使用すると、対称ガウス光ビームを入力としてから、ほぼ理想的な楕円ガウス光ビームを生成することができ、そのために、２つの直交方向に沿ったビームウェスト位置が一致し、望ましくない光ビーム内の非点収差が排除される。別の実装において、光学システム４００への入力光ビームは、既に楕円ガウス光ビームであり得るが、光学システム４００は、システム要件（例えば、イオン間の間隔、イオンのサイズ、表面トラップのサイズなど）に基づいて、入力光ビームの赤道方向および極ガウス半径を、より適切な楕円ガウス光ビームに変更する倍率を提供する。
一例として、Ｍ＝８となるようなルーズな方向（ｙ方向）の縮小と、ａＭ＝４０となるようなタイトな方向（ｘ方向）の縮小を選択することができ、楕円率はａ＝５になる。この場合、円柱レンズの焦点距離はｆ２’＝１５ｍｍ、ａｆ２’＝７５ｍｍ、球面レンズの焦点距離はｆ１＝６００ｍｍとすることができる。他の実装が可能であり、この例は、限定ではなく例示として提供されることを理解されたい。
図４Ａに示す光学システム４００には、いくつかのバリエーションが存在し得る。例えば、２つの円柱レンズは、図４Ｄのダイアグラム４８０において上述した負の円柱レンズ４８５のような負の円柱レンズを使用して形成することができる。そのような一例を、図５Ａに示す光学システム５００に関してより詳細に説明する。光学システム５００は、球面レンズであり得る第一の光学部品５１０と、第一の円柱レンズであり得る第二の光学部品５２０と、第二の円柱レンズであり得る第三の光学部品５３０とを含んでもよく、両方の円柱レンズは負の円柱レンズである。
この場合、焦点長が一致する２つの円柱レンズの前に、実像ではなく虚像が形成される。光学システム４００と同様に、光学システム５００において、光学システム４００における球面レンズと第一の円柱レンズとの組合せは、一方の一致する望遠鏡の機能を提供し、垂直またはｙ方向にルーズに光ビーム（点線）を仮想的に集束または画像化し、一方、球面レンズと第二の円柱レンズとの組合せは、他方の一致する望遠鏡の機能を提供し、水平またはｘ方向に光ビーム（実線）をタイトに仮想的に集束または画像化する。光学システム５００によって、確実に、虚像が２つの方向に対して同じ平面に形成される。この虚像点は、イオンの制御のために表面トラップ内のイオン５５０で実像を形成するために、適切な倍率を有する別の撮像システム（別の望遠鏡、または撮像レンズ）によって再び画像化することができる。図５Ｂは、イオン５５０において実像を形成するために、光学システム５００に続く撮像システム５７０を伴うダイアグラム５６０を示す。
光学システム５００は、いくつかの利点を有し得る。例えば、光学システムの全長を短くすることができる。このタイプの光学システムの欠点は、アドレス指定光ビームのための実像点を生成するために、虚像点をイオン上に中継するために撮像システム（例えば、撮像システム５７０）が必要なことである。これは、最終投影レンズによって行われ、イオンが配置されている適切な場所にビームを集束させるために、いずれにせよ、別の撮像システムが必要になることもある（例えば、光学システム４００において）。したがって、負の円柱レンズを使用しても、ハードウェア要件が追加されないこともある。
光学システム４００および光学システム５００の両方の別の態様では、光学システム４００の第一の光学部品４１０および光学システム５００の第一の光学部品５１０は、いくつかの要素を有する複合レンズで実現することができる焦点距離ｆ１を有する球面レンズとすることができる。具体的には、球面レンズは、低速（長い焦点距離）の負レンズに続き、両者の間の分離の制御が正味の正レンズを生成するように、両者の間を有限の間隔で、高速（短い焦点距離）の正レンズとすることができるが、低速の負レンズと高速の正レンズとの間の分離を制御することによって、焦点距離を調整することができる。この場合、光学システム（例えば、光学システム４００または光学システム５００）の全体的な倍率を、この調整を行うことによって修正することができる。レンズ速度は、レンズの焦点距離に対するレンズ半径の比によって与えられる開口数を指し、「高速レンズ」は、他のレンズよりも短い時間で同じ露光を達成することができ、逆に、「低速レンズ」は、より小さい開口数を有し、より少ない光強度を送達し、そのために他のレンズよりも長い時間を必要とする。
本開示に記載される技術の付加的な利点は、ＱＩＰシステムにおいて、量子ビットを個々にアドレス指定するために使用される光ビーム（例えば、レーザビーム）の周波数を変調するために複数のトーンが使用されることである。上述のように、これらの光ビームは、クロストークまたはクリッピングを生じさせることなく、個々にアドレス指定されたトラップイオン（例えば、量子ビット）に楕円ガウス光ビームを達成するためには、異なる方向に拡大または集束させる必要があり得る。ＱＩＰシステムにおいて音響光学変調器（ＡＯＭ）を使用することによって、これらのトーンは、異なる角度でＡＯＭから光ビームを「回折」させる。これらの変調された光ビームをイオンに再び集束させると、異なるトーンはイオンに、ある角度で収束する。上述したようなタイトに集束された光ビームの場合、これらの角度は非常に大きくなる傾向があり、（１）イオンに到達する光ビームの不十分な重なり合い、または（２）タイトな整列要件に関連する問題につながる。場合によっては、角度によって、量子ビット自体に刻印された光学位相に対する感度（干渉効果）などの望ましくない効果が生じることがある。現在の実装では、異なるトーンは、トラップ表面に垂直なｙ方向）に光ビームを回折する。焦点は垂直方向に劇的に緩和されるので、光ビームはさらに引き伸ばされ、異なる回折光ビームがイオンに収束する角度も劇的に減少する。これにより、それぞれのイオンでの回折光ビームがより容易に光学的に整列し、重なり合いがより柔軟になる。
図６は、上述のような回折光ビームの周波数依存性の一例を表すダイアグラム６００を示す。この例では、第一のＲＦ信号（例えば、変調信号）が、周波数またはトーンｆ１に基づいてＲＦ発生器６１０ａによって生成され、第二のＲＦ信号が、周波数またはトーンｆ２に基づいてＲＦ発生器６１０ｂによって生成される。これらの２つの信号は、加算器６１５によって結合され、ＡＯＭ６２０ａに印加される。ＡＯＭ６２０は、各チャネルが独立して動作し、独自のＲＥ信号の対を受信するマルチチャネルＡＯＭであってもよい。ＡＯＭの各チャネルは、別個にアドレス指定される光ビーム（例えば、別個の光ビーム１４０）と関連付けられてもよい。
ＡＯＭ６２０は、入射光ビーム６２５を受け取り、その一部は回折されない（例えば、０次回折によって生成される非回折光ビーム６３０）。一方、２つの変調された光ビームは、ＡＯＭ６２０での回折によって入射光ビーム６２５から生成される（例えば、トーンｆ１についての回折光ビーム６３５ａおよびトーンｆ２についての回折光ビーム６３５ｂ、両方とも一次回折によって生成され、高次回折光ビームを空間的にフィルタリングすることができる）。この２つの回折光ビームは、異なる角度で回折し、共伝搬しない。したがって、２つの回折光ビームは、光学部品６４０（例えば、ｆ１については集束光ビーム６４５ａ、ｆ２については集束光ビーム６４５ｂ）によって、上述の表面トラップ１１０のようなトラップ内に形成された格子、結晶、またはチェーン内のそれぞれのイオンまたは原子６５０上に集束される必要がある再び集束された光ビームは、同じ伝搬方向でイオン６５０に到達しない（例えば、共伝搬しない）ので、量子状態操作に誤差を生じさせ得る。しかしながら、上述のように、この問題は、本明細書で説明される技術を使用することによって、少なくとも部分的に対処することができる。すなわち、光学システム４００または光学システム５００の態様は、光学部品６４０内に実装することができる。例えば、光学部品６４０は、異なる倍率または異なる方向への集束を可能にするように構成されてもよく、これにより、ｙ方向、例えば、表面トラップの表面に対して垂直方向に、よりルーズな集束も、またｘ方向、例えば、表面トラップの表面に対して水平または平行な方向に、よりタイトな集束が可能になる。焦点は、垂直方向において劇的に緩和され得るので、光ビームはさらに引き伸ばされ、異なる回折光ビームがイオンに集束する角度も劇的に減少し、したがって、イオン６５０に到達する光ビーム（例えば、光ビーム６４５ａおよび６４５ｂ）は、共伝搬に、より近くなる。
異なる倍率の使用に関連したＡＯＭの使用例は、図３の望遠鏡３００の例によって表すことができる。この例では、望遠鏡３００は、２つの光ビームがソースから、異なる角度で出て（例えば、ＡＯＭ６２０から回折された光ビーム６３５ａおよび６３５ｂに類似して）、次いで、望遠鏡３００の右側に急勾配な角度で収束する（例えば、イオン６５０に収束する光ビーム６４５ａおよび６４５ｂに類似している）ことを表すために使用することができる。したがって、収束角度を初期の発散角度よりも、はるかに急勾配にすることによって、望遠鏡３００によって提供される縮小率が実現する。ＡＯＭ６２０がマルチチャネルＡＯＭである場合、異なるチャネルは、特定の分離を有する。いくつかの例では、この分離は、約４５０μｍとすることができる。上述のように、チェーン中のイオン（例えば、表面トラップ１１０中のイオン１５０）間の間隔は、典型的には約３〜７μｍであり、４．５μｍはこの範囲内である。望遠鏡３００、または光学システム４００および５００などの光学システムを（例えば、光学部品６４０の一部として）使用して、約１／１００の全体的な縮小率（例えば、４５０μｍチャネル間隔／４．５μｍイオン間隔）を提供することができる。このような場合、ＡＯＭ６２０から回折された光ビームは、初期の発散角で出現し、次いで、それらの光ビームは、それぞれのイオン上で、約１００倍大きい角度で収束する。例えば、初期発散角度が約０．２°である場合、収束角度は約２０°であり、これは、収束光ビームが共伝搬するのに近くないので問題となることがある。
ＡＯＭ６２０から回折された２つのトーン（例えば、光ビーム６３５ａおよび６３５ｂ）は、イオンを個々にアドレス指定するために、光ビームを絞る必要またはタイトにする必要がある方向に垂直な方向に出てくる。したがって、代わりに光学システム４００および５００を使用する場合、光ビームをｘ方向に絞ることができ（例えば、図２Ｂを参照）、２つのトーンがｙ方向に出て、そのｙ方向に、ａ分の１の小さな倍率にすることができる。ここで、ａは、上述のように２つの倍率の比を定義するパラメータである。ここで、上述した例のように、楕円比が、ａ＝５であるように選択される場合、２０°の収束角度を有する代わりに、４°（２０°／５）の収束角度を有することが可能なこともある。したがって、楕円光ビームを画像化するために異なる方向に倍率を制御する能力の付加的な利点は、ＡＯＭ幾何学の文脈において、ＡＯＭから回折された様々な光ビーム（例えば、トーン）が、光ビームがあまりタイトでない方向に生じ、その方向において光ビームの収束角度の問題がより容易に抑制され得ることである。
ＡＯＭの使用は、場合によっては、光ビームに収差および／または散乱を引き起こすことがある。光学システム４００に関連して上述したように、空間フィルタのような他の光学部品または要素を追加すること、実像面にアパーチャを配置すること、または視野レンズを使用することが可能である。これらの他の光学部品は、光学部品６４０の一部であってもよく、光学部品６４０と、イオン６５０が位置する実像面との間のどこかに追加されてもよく、または、例えば、実像面に追加されてもよい。以下の場合。
ここで図７を参照すると、本開示の態様による例示的なコンピュータ装置７００が示されている。コンピュータ装置７００は、例えば、単一のコンピューティング装置、複数のコンピューティング装置または分散コンピューティングシステムを代表し得る。コンピュータ装置７００は、量子コンピュータ（例えば、量子情報処理（ＱＩＰ）システム）、古典的コンピュータ、または量子および古典的計算機能の組合せとして構成されてもよい。例えば、コンピュータ装置７００は、トラップされたイオン技術に基づく量子アルゴリズムを使用して情報を処理するために使用されてもよく、したがって、トラップされたイオンを制御するために円柱光学系またはレンズを使用して楕円の光ビームを生成するために、本明細書に記載される技術のいくつかを実施してもよい。本明細書で説明する技法を実装することができるＱＩＰシステムとしてのコンピュータ装置７００の一般的な例を、図８Ａおよび図８Ｂに示す例に示す。
一例では、コンピュータ装置７００は、本明細書で説明する特徴のうちの１つまたは複数に関連する処理機能を実行するためのプロセッサ７１０を含むことができる。例えば、プロセッサ７１０は、円柱光学系またはレンズを使用して楕円光ビームを生成することによって、イオンまたは原子に格納された量子情報を操作する態様を制御、調整、および／または実行するように構成され得る。一態様では、プロセッサ７１０は、上述の表面トラップ１１０などの表面トラップを含むことができ、表面トラップ１１０内にトラップされたイオン１５０は、プロセッサ７１０の機能の少なくとも一部を実行するために使用される。プロセッサ７１０は、単一または複数セットのプロセッサまたはマルチコアプロセッサを含んでもよい。さらに、プロセッサ７１０は、統合処理システムおよび／または分散処理システムとして実装されてもよい。プロセッサ７１０は、中央処理ユニット（ＣＰＵ）、量子処理ユニット（ＱＰＵ）、グラフィックス処理ユニット（ＧＰＵ）、またはこれらのタイプのプロセッサの組合せを含むことができる。一態様では、プロセッサ７１０は、コンピュータ装置７００のｉ一般的なプロセッサを参照することができ、これは、さらに特定の機能を実行するために、追加のプロセッサ７１０を含むこともできる。
一例では、コンピュータ装置７００は、本明細書に記載する機能を実行するためにプロセッサ７１０によって実行可能な命令を記憶するメモリ７２０を含んでもよい。一実施形態では、例えば、メモリ７２０は、本明細書に記載する１つまたは複数の機能または動作を実行するためのコードまたは命令を記憶するコンピュータ可読記憶媒体に対応することができる。一例では、メモリ７２０は、円柱光学系またはレンズを使用して楕円光ビームの生成を制御する態様を実行するための命令を含むことができる。プロセッサ７１０と同様に、コンピュータ装置７００の一般的なメモリ７２０を参照することができ、これは、メモリ７２０は、より具体的な機能のために命令および／またはデータを格納するために、追加のメモリ８２０を含むこともできる。
さらに、コンピュータ装置７００は、本明細書で説明するように、ハードウェア、ソフトウェア、およびサービスを利用して、１人または複数の当事者との通信を確立し、維持することを提供する通信部品７３０を含むことができる。通信部品７３０は、コンピュータ装置７００上の部品間でも、コンピュータ装置７００と、外部装置、例えば、通信網を介して配置された装置および／またはコンピュータ装置７００にシリアルまたはローカルに接続された装置との間でも通信を実行することができる。例えば、通信部品７３０は、１つまたは複数のバスを含むことができ、さらに、外部装置とインターフェースするために動作可能な送信機および受信機にそれぞれ関連する送信チェーン部品および受信チェーン部品を含むことができる。
さらに、コンピュータ装置７００は、データストア７４０を含むことができ、本明細書で説明する実装に関連して使用される情報、データベース、およびプログラムの大容量記憶を提供するハードウェアおよび／またはソフトウェアの任意の適切な組合せとすることができる。例えば、データストア７４０は、オペレーティングシステム７６０（例えば、従来ＯＳ、または量子ＯＳ）のためのデータリポジトリであってもよい。一実施形態では、データストア７４０は、メモリ７２０を含んでもよい。
コンピュータ装置７００は、また、コンピュータ装置７００のユーザから入力を受信するように操作可能であり、さらにユーザに提示するための出力を生成するように、または異なるシステムに（直接的または間接的に）提供するように操作可能なユーザインタフェース部品７５０を含むことができる。ユーザインタフェース部品７５０は、１つまたは複数の入力装置を含むことができる。入力装置には、キーボード、ナンバーパッド、マウス、タッチセンシティブディスプレイ、デジタイザ、ナビゲーションキー、ファンクションキー、マイクロフォン、音声認識部品、ユーザからの入力を受信することができる任意の他の機構、またはそれらの任意の組合せが含まれるが、これらに限定されない。さらに、ユーザインタフェース部品７５０は、１つまたは出力装置を含むことができる。出力装置には、ディスプレイ、スピーカ、触覚フィードバック機構、プリンタ、ユーザに出力を提示することができる任意の他の機構、またはそれらの任意の組合せが含まれるが、これらに限定されない。
一実装では、ユーザインタフェース部品７５０は、オペレーティングシステム７６０の動作に対応するメッセージを送受信することができる。さらに、プロセッサ７１０は、オペレーティングシステム７６０および／またはアプリケーションまたはプログラムを実行することができ、メモリ７２０またはデータストア７４０は、それらを格納することができる。
コンピュータ装置７００がクラウドベースのインフラ解決策の一部として実装される場合、ユーザインタフェース部品７５０を使用して、クラウドベースのインフラ解決策のユーザがコンピュータ装置７００とリモートで対話できるようにすることが可能になる。
図８Ａは、本開示の態様によるＱＩＰシステム８００の例を示すブロック図である。ＱＩＰシステム８００は、量子計算システム、コンピュータ装置、トラップイオン量子コンピュータなどと呼ばれることもある。一態様では、ＱＩＰシステム８００は、図７のコンピュータ装置７００の量子コンピュータ実装の一部に対応し得る。
ＱＩＰシステム８００は、原子種（例えば、中性原子のフラックス）を、光学コントローラ８２０（例えば、図８Ｂ参照）によって一旦イオン化された（例えば、光イオン化された）原子種をトラップするイオントラップ８７０を有するチャンバ８５０に提供するソース８６０を含むことができる。上述した表面トラップ１１０は、イオントラップ８７０の一例であってもよい。光学コントローラ８２０内の光源８３０は、原子種のイオン化、イオンの制御（例えば、位相制御）、光学コントローラ８２０内の撮像システム８４０内で動作する画像処理アルゴリズムによって監視および追跡され得るイオンの蛍光のために、および／または本開示で説明されるような円柱光学システムまたはレンズを使用して楕円光ビームの操作および／または生成を実行するために使用され得る１つまたは複数のレーザ源を含んでもよい。一態様では、光源８３０は、光学コントローラ８２０とは別個に実装され得る。
撮像システム８４０は、イオントラップ８７０に提供されている間、またはイオントラップ８７０に提供された後に、原子種を監視するための高分解能イメージャ（例えば、ＣＣＤカメラ）を含んでもよい。また、撮像システム８４０は、例えば、光学システム４００および５００などの光学システム上で、画像品質測定および分析動作などの診断または他の動作を実行するために使用されてもよい。一態様では、撮像システム８４０は、光学コントローラ８２０とは別個に実装することができるが、画像処理アルゴリズムを使用して原子イオンを検出し、識別し、ラベル付けするための蛍光の使用は、光学コントローラ８２０と調整する必要がある場合もある。別の態様では、撮像システム８４０は、イオンによって散乱される光子を誘導するために使用され得る撮像光学系を含み得、光子は、測定時に、イオンの位置および／または量子ビットの量子状態などの情報を得るために使用され得る。光子は、例えば、イメージャおよび／または光電子増倍管などの単一の光子検出器を含む、異なるタイプの検出器に向けることができる。光子は、光ファイバおよび／または他のタイプの光導波路を使用して検出器に向けることができる。
ＱＩＰシステム８００は、また、ＱＩＰシステム８００の他の部分（図示せず）とともに動作して、単一量子ビット演算または多重量子ビット演算および拡張量子計算を含む量子アルゴリズムまたは量子操作を実行することができるアルゴリズム部品８１０も含むことができる。そのように、アルゴリズム部品８１０は、量子アルゴリズムまたは量子操作の実装を可能にするために、ＱＩＰシステム８００の様々な部品（例えば、光学コントローラ８２０）に命令を提供してもよい。一例では、アルゴリズム部品８１０は、本明細書で説明する楕円ビームの生成に関連する動作の性能を性能し、調整し、かつ／または命令することができる。
図８Ｂは、光学コントローラ８２０の少なくとも一部を示す。この例では、光学コントローラ８２０は、ビームコントローラ８２１と、光源８３０と、撮像システム８４０と、ＡＯＭおよびレンズまたはレンズアセンブリを含む光学部品のうちの１つまたは複数を含むことができるＡＯＭ構成８３７と、楕円光ビームを生成する楕円ビーム光学系８３８とを含むことができる。点線によって示されるように、光源８３０、撮像システム８４０、ＡＯＭ構成８３７、および楕円ビーム光学系８３８のうちの１つまたは複数は、光学コントローラ８２０とは別個であるが通信して実装されてもよい。楕円ビーム光学系８３８は、例えば、光学システム４００、光学システム５００、および／または光学システム４００とともに、または光学システム５００とともに使用される撮像システム５７０を含むことができる。ＡＯＭ構成８３７は、例えば、ＡＯＭ６２０を含むことができる。
撮像システム８４０は、ＣＣＤ７４１（または同様のイメージャまたはカメラ）と、画像処理アルゴリズム部品８４２とを含む。光源８３０は、１つまたは複数の変調器８２５と、複数のレーザ源８３５ａ、…、８３５ｂとを含み、複数のレーザ源は、（例えば、量子ビット情報の操作のためのレーザビームまたはゲートビームを生成するために）上述の機能の１つまたは複数のために使用され得る。一態様において、レーザ源８３５ａ、…、８３５ｂは、楕円ビーム光学系８３８を使用して、イオントラップ８７０内のイオン上に楕円ガウス光ビームを画像化することによって、異なる方向に異なるように拡大され得る光ビームを生成してもよい。別の態様では、変調器８２５は、本明細書に記載されるＲＦ発生器（例えば、図６のＲＦ発生器６１０ａおよび６１０ｂ）のうちの１つまたは複数を実装して、光ビームを回折するためにＡＯＭによって使用される異なるトーンを生成してもよい。
ビームコントローラ８２１は、量子処理のための楕円光ビームを画像化するために、本明細書に記載される様々な態様を実施するように構成される。ビームコントローラ８２１は、異なるトーンに基づいてＲＦ制御信号を生成して、印加することに関連する様々な態様を制御するためのトーン生成部品８２４と、適切なＲＦ制御信号を生成することによって偏光の微細かつ迅速な制御を提供するのにＡＯＭを使用することに関連する様々な態様を制御するための偏光部品８２６とを有するＡＯＭ構成制御部品８２２を含んでもよい。ＡＯＭ構成制御部品８２２は、トーンの生成および制御にも、偏光の制御にも関連する光源８３０（例えば、変調器８２５）と相互作用してもよい。一実施態様では、ＡＯＭ構成制御部品８２２は、ビームコントローラ８２１とは別個であるが、ビームコントローラ８２１と通信するように実装することができる。
光学コントローラ８２０の様々な部品は、個々に、または組み合わせて動作して、本開示で説明された様々な機能を実行してもよい。さらに、光学コントローラ８２０の様々な部品は、本開示で説明された様々な機能を実行するために、ＱＩＰシステム８００の部品のうちの１つまたは複数とともに動作し得る。
図９は、本開示の態様による楕円光ビームを生成するための方法９００の一例を示すフロー図である。方法９００は、コンピュータ装置７００によって、あるいはＱＩＰシステム８００によって実行され得る。
９１０において、方法９００は、光学システム（例えば、光学システム４００、光学システム５００）によって、１つまたは複数の光ビームを受け取ることを含み、この光学システムは、第一の焦点距離を有する第一の光学部品（例えば、第一の光学部品４１０、５１０）と、第二の焦点距離を有し、第一の方向に整列された第二の光学部品（例えば、第二の光学部品４２０、５２０）と、第三の焦点距離を有し、第一の方向に直交する第二の方向に整列された第三の光学部品（例えば、第三の光学部品４３０、５３０）と、を含む。
９２０において、方法９００は、光学システムによって、１つまたは複数の楕円ガウス光ビーム（例えば、光ビーム１４０’）を画像化する（例えば、画像を形成または生成する）ことを含み、この光学システムは、１つまたは複数の光ビーム（例えば、入力光ビーム）に、第一の方向および第二の方向に異なる倍率を適用して、１つまたは複数の楕円ガウス光ビーム（例えば、出力光ビーム）を画像化するように構成される。
方法９００の一態様では、光学システムによって受け取られる１つまたは複数の光ビーム（例えば、入力光ビーム）のそれぞれは、円形ガウス光ビームまたは楕円ガウス光ビームである。１つまたは複数の光ビームのそれぞれが楕円ガウス光ビームである場合、光学システムによって画像化される１つまたは複数の楕円ガウス光ビーム（例えば、出力光ビーム）のうちの対応するイオンは、第一の方向においてよりルーズな焦点を有し、第二の方向においてよりタイトな焦点を有する。光学システムが受け取る楕円ガウス光ビームの極半径と赤道半径に異なる倍率を適用することによって、一つの方向への焦点をより緩くして、別の方向へ焦点をよりタイトにすることができる。
方法９００の別の態様では、１つまたは複数の楕円ガウス光ビームのそれぞれは、第二の方向のビームウェスト（例えば、光ビーム１４０’）よりも大きい第一の方向のビームウェストを有し、１つまたは複数の楕円ガウス光ビームのそれぞれは、第二の方向のビームウェスト位置と伝搬方向（例えば、ｚ方向）位置で一致する第一の方向のビームウェスト位置を有する。伝搬方向は、第一の方向と第二の方向との両方に直交する。
方法９００の別の態様では、第一の方向の倍率は、縮小率Ｍであり、第二の方向の倍率は、縮小率ａＭであり、ａは楕円比である。
方法９００の別の態様では、第二の光学部品は、伝搬方向（例えば、ｚ方向）に沿って第一の光学部品の後に位置決めされ、第三の光学部品は、伝搬方向に沿って第二の光学部品の後に位置決めされ、１つまたは複数の楕円ガウス光ビームを画像化することは、第二の光学部品の第二の焦点距離と第三の光学部品の第三の焦点距離との両方と一致する伝搬方向に沿った位置に１つまたは複数の楕円ガウス光ビームを画像化することを含む（例えば、光学システム４００を参照）。
方法９００の別の態様では、第一の光学部品は、球面レンズであり、第二の光学部品は、第一の円柱レンズであり、第三の光学部品は、第二の円柱レンズである。球面レンズは、複合レンズ（例えば、複数のレンズなどの複数の光学素子を含む）であってもよく、第一の円柱レンズおよび第二の円柱レンズは、両方とも正の円柱レンズ（例えば、正の円柱レンズ４７５）であってもよい。一実装において、球面レンズは、低速の負レンズと、それに続く高速の正レンズを含み、方法９００は、さらに、球面レンズが正味の正レンズであるように、低速の負レンズと高速の正レンズとの間の分離を（例えば、光学コントローラ８２０によって）制御するステップを含む。例えば、光学コントローラ８２０は、低速の負レンズと高速の正レンズとの間の間隔または分離を（例えば、一方または両方のレンズを動かすことによって）制御して、球面レンズのための所望の焦点距離を得ることができる。
方法９００の別の態様では、光学システムは、ＱＩＰシステム（例えば、ＱＩＰシステム８００）の一部であり、ＱＩＰシステムは、１つまたは複数のイオンをトラップするように構成された表面トラップ（例えば、表面トラップ１１０の一例であるイオントラップ８７０）を含み、１つまたは複数の楕円ガウス光ビームを画像化するステップは、１つまたは複数の楕円ガウス光ビームのそれぞれを１つまたは複数のイオンの対応するイオン上に画像化するステップを含む。方法９００は、ＱＩＰシステム内のＡＯＭ（例えば、ＡＯＭ６２０、ＡＯＭ構成８３７）によって、１つまたは複数のガウス光ビームを回折させるトーンを有する１つまたは複数のガウス光ビーム（例えば、図６を参照）を変調するステップをさらに含み、１つまたは複数のガウス光ビームを受信するステップは、回折された１つまたは複数のガウス光ビームを受信するステップを含み、対応するイオン上の１つまたは複数の楕円ガウス光ビームのそれぞれを画像化するステップは、光学システムに、回折された１つまたは複数のガウス光ビームに第一の方向および第二の方向に異なる倍率を適用させるステップを含む。
方法９００の別の態様では、第一の方向の倍率、第二の方向の倍率、またはその両方は、１つまたは複数のガウス光ビームのそれぞれの半径を１／４０〜１／１００に縮小する縮小率である、（例えば、Ｍ＜１）である。
方法９００の別の態様では、第一の光学部品は球面レンズであり、第二の光学部品は第一の負の円柱レンズであり、第三の光学部品は第二の負の円柱レンズであり、伝搬方向に沿って、第一の光学部品の後で、第二の光学部品の前に配置され、１つまたは複数の楕円ガウス光ビームを画像化するステップは、伝搬方向に沿って第三の光学部品の前の位置に、１つまたは複数の楕円ガウス光ビームを仮想的に画像化するステップを含む（例えば、光学システム５００参照）。
本開示は、図示された実施形態に従って提供されたが、当業者は、実施形態にバリエーションがあり得、それらのバリエーションも本開示の範囲内にあることを容易に認識するであろう。したがって、添付の特許請求の範囲から逸脱することなく、当業者は多くの修正を行うことができる。

Claims (36)

  1. 第一の焦点距離を有する第一の光学部品と、
    第二の焦点距離を有し、前記第一の方向に整列された第二の光学部品と、
    第三の焦点距離を有し、前記第一の方向と直交する前記第二の方向に整列された第三の光学部品と、
    を備える、楕円光ビームを生成するための光学システムであって、
    前記光学システムは、１つまたは複数の光ビームを受け取り、１つまたは複数の楕円ガウス光ビームを画像化するために、前記第一の方向および前記第二の方向に異なる倍率を前記１つまたは複数の光ビームに適用するように構成される、
    光学システム。
  2. 前記１つまたは複数の光ビームのそれぞれは、円形ガウス光ビームまたは楕円ガウス光ビームである、請求項１に記載の光学システム。
  3. 前記１つまたは複数の光ビームのそれぞれが楕円ガウス光ビームである場合、前記光学システムによって画像化される前記１つまたは複数の楕円ガウス光ビームの対応する１つは、前記第一の方向で、よりルーズな焦点を有し、前記第二の方向で、よりタイトな焦点を有する、請求項２に記載の光学システム。
  4. 前記１つまたは複数の楕円ガウス光ビームのそれぞれは、前記第二の方向におけるビームウェストよりも前記第一の方向におけるビームウェストの方が大きく、
    前記１つまたは複数の楕円ガウス光ビームのそれぞれは、前記第二の方向におけるビームウェスト位置と伝搬方向に沿った位置で一致する前記第一の方向におけるビームウェスト位置を有する、
    請求項１に記載の光学システム。
  5. 前記伝搬方向は、前記第一の方向と前記第二の方向との両方に直交する、請求項４に記載の光学システム。
  6. 前記第一の方向の前記倍率は、縮小率Ｍであり、前記第二の方向の前記倍率は、縮小率ａＭであり、ａは楕円比である、請求項１に記載の光学システム。
  7. 前記第一の光学部品、前記第二の光学部品、および前記第三の光学部品のそれぞれは、単一レンズまたは複合レンズを含む、請求項１に記載の光学システム。
  8. 前記第二の光学部品は、伝搬方向に沿って前記第一の光学部品の後に配置され、
    前記第三の光学部品は、前記伝搬方向に沿って前記第二の光学部品の後に配置され、
    前記１つまたは複数の楕円ガウス光ビームは、前記第二の光学部品の前記第二の焦点距離と前記第三の光学部品の前記第三の焦点距離との両方と一致する前記伝搬方向に沿った位置に画像化される、
    請求項１に記載の光学システム。
  9. 前記第一の光学部品は球面レンズであり、
    前記第二の光学部品は第一の円柱レンズであり、
    前記第三の光学部品は第二の円柱レンズである、
    請求項１に記載の光学システム。
  10. 前記第一の円柱レンズおよび前記第二の円柱レンズは、両方とも正の円柱レンズである、請求項９に記載の光学システム。
  11. 前記第一の円柱レンズおよび前記第二の円柱レンズの両方の実像平面で、画質の測定および分析を行うように構成された撮像システムをさらに備える、請求項１０に記載の光学システム。
  12. 前記第一の円柱レンズおよび前記第二の円柱レンズの後に、空間フィラー、アパーチャ、または視野レンズのうちの１つまたは複数を含む１つまたは複数の追加の光学部品をさらに備える、請求項１０に記載の光学システム。
  13. 前記球面レンズが複合レンズである、請求項９に記載の光学システム。
  14. 前記球面レンズは、低速の負レンズと、それに続く高速の正レンズとを含み、前記低速の負レンズと前記高速の正レンズとの間の分離は、前記球面レンズが正味の正レンズであるように制御可能である、請求項９に記載の光学システム。
  15. 前記光学システムは、量子情報処理（ＱＩＰ）システムの一部であり、
    前記ＱＩＰシステムは、１つまたは複数のイオンをトラップするように構成された表面トラップを含み、
    前記光学システムは、前記１つまたは複数の楕円ガウス光ビームのそれぞれを、前記１つまたは複数のイオンのうちの対応するイオンに画像化するように構成される、
    請求項１に記載の光学システム。
  16. 前記表面トラップのエッジをクリッピングすることなく、前記１つまたは複数の楕円ガウス光ビームのそれぞれを前記対応するイオン上に画像化するように構成される、請求項１５に記載の光学システム。
  17. 前記１つまたは複数の楕円ガウス光ビームのそれぞれを、隣接する楕円ガウス光ビームが重なり合うことなく、前記対応するイオン上に画像化するように構成される、請求項１５に記載の光学システム。
  18. 前記光学システムは、伝搬方向に沿って前記第三の光学部品の後に位置決めされた撮像部品をさらに備え、前記光学システムは、前記１つまたは複数の楕円ガウス光ビームのそれぞれを前記撮像部品上に画像化するように構成され、
    前記撮像部品は、前記１つまたは複数の楕円ガウス光ビームのそれぞれを前記対応するイオン上に再び画像化するように構成される、
    請求項１５に記載の光学システム。
  19. 前記ＱＩＰシステム内の音響光学変調器（ＡＯＭ）は、前記１つまたは複数の光ビームを回折させるトーンで前記１つまたは複数の光ビームを変調するように構成され、
    前記光学システムは、回折された前記１つまたは複数の光ビームを受け取り、回折された前記１つまたは複数の光ビームに、前記第一の方向および前記第二の方向に異なる倍率を適用して、前記１つまたは複数の楕円ガウス光ビームのそれぞれを前記対応するイオン上に画像化するように構成される、
    請求項１５に記載の光学システム。
  20. 前記第一の方向の倍率、前記第二の方向の倍率、またはその両方が、前記１つまたは複数の光ビームのそれぞれの半径を１／４０〜１／１００に縮小する縮小率である、請求項１に記載の光学システム。
  21. 前記第一の光学部品は球面レンズであり、
    前記第二の光学部品は第一の負の円柱レンズであり、
    前記第三の光学部品は第二の負の円柱レンズであり、伝搬方向に沿って前記第一の光学部品の後で前記第二の光学部品の前に配置され、
    前記光学システムは、前記１つまたは複数の光ビームを受け取り、前記第一の方向および前記第二の方向に、異なる倍率を前記１つまたは複数の光ビームに適用して、前記伝搬方向に沿って前記第三の光学部品の前の位置で前記１つまたは複数の楕円ガウス光ビームを仮想的に画像化するように構成される、
    請求項１に記載の光学システム。
  22. 前記光学システムは、ＱＩＰシステムの一部であり、
    前記ＱＩＰシステムは、前記１つまたは複数のイオンをトラップするように構成された表面トラップを含み、
    前記光学システムは、前記伝搬方向に沿って前記第二の光学部品の後に配置された撮像部品をさらに含み、前記光学システムは、前記撮像部品上の前記１つまたは複数の楕円ガウス光ビームのそれぞれを仮想的に画像化するように構成され、
    前記撮像部品は、仮想的に画像化された前記１つまたは複数の楕円ガウス光ビームのそれぞれを再画像化して、前記対応するイオン上に前記１つまたは複数の楕円ガウス光ビームのそれぞれの実像を形成するように構成される、
    請求項１に記載の光学システム。
  23. 楕円光ビームを生成するための方法であって、
    光学システムによって１つまたは複数の光ビームを受け取るステップであって、前記光学システムは、第一の焦点距離を有する第一の光学部品と、第二の焦点距離を有し、第一の方向に整列された第二の光学部品と、第三の焦点距離を有し、前記第一の方向に直交する第二の方向に整列された第三の光学部品とを含む、ステップと、
    前記光学システムによって１つまたは複数の楕円ガウス光ビームを画像化するステップであって、前記光学システムは、前記１つまたは複数の光ビームに前記第一の方向および前記第二の方向に異なる倍率を適用して、前記１つまたは複数の楕円ガウス光ビームを画像化するように構成される、ステップと、
    を含む、方法。
  24. 前記１つまたは複数の光ビームのそれぞれは、円形ガウス光ビームまたは楕円ガウス光ビームである、請求項２３に記載の方法。
  25. 前記１つまたは複数の光ビームのそれぞれが楕円ガウス光ビームである場合、前記光学システムによって画像化される前記１つまたは複数の楕円ガウス光ビームの対応する１つは、前記第一の方向で、よりルーズな焦点を有し、前記第二の方向で、よりタイトな焦点を有する、請求項２４に記載の方法。
  26. 前記１つまたは複数の楕円ガウス光ビームのそれぞれは、前記第二の方向におけるビームウェストよりも前記第一の方向におけるビームウェストの方が大きく、
    前記１つまたは複数の楕円ガウス光ビームのそれぞれは、前記第二の方向におけるビームウェスト位置と伝搬方向に沿った位置で一致する前記第一の方向におけるビームウェスト位置を有する、請求項２３に記載の方法。
  27. 前記伝搬方向は、前記第一の方向と前記第二の方向との両方に直交する、請求項２６に記載の方法。
  28. 前記第一の方向の前記倍率は、縮小率Ｍであり、前記第二の方向の前記倍率は、縮小率ａＭであり、ａは楕円比である、請求項２３に記載の方法。
  29. 前記第二の光学部品は、伝搬方向に沿って前記第一の光学部品の後に配置され、
    前記第三の光学部品は、前記伝搬方向に沿って前記第二の光学部品の後に配置され、
    前記１つまたは複数の楕円ガウス光ビームを画像化するステップは、前記第二の光学部品の前記第二の焦点距離および前記第三の光学部品の前記第三の焦点距離の両方と一致する前記伝搬方向に沿った位置で前記１つまたは複数の楕円ガウス光ビームを画像化するステップを含む、
    請求項２３に記載の方法。
  30. 前記第一の光学部品は球面レンズであり、
    前記第二の光学部品は第一の円柱レンズであり、
    前記第三の光学部品は第二の円柱レンズである、
    請求項２３に記載の方法。
  31. 前記球面レンズは複合レンズであり、
    前記第一の円柱レンズおよび前記第二の円柱レンズは、両方とも正の円柱レンズである、
    請求項２３に記載の方法。
  32. 前記球面レンズは、低速の負レンズと、それに続く高速の正レンズとを含み、
    前記低速の負レンズと前記高速の正レンズとの間の分離は、前記球面レンズが正味の正レンズであるように制御可能である、請求項３１に記載の方法。
  33. 前記光学システムは、量子情報処理（ＱＩＰ）システムの一部であり、
    前記ＱＩＰシステムは、１つまたは複数のイオンをトラップするように構成された表面トラップを含み、
    前記１つまたは複数の楕円ガウス光ビームを画像化するステップは、前記１つまたは複数の楕円ガウス光ビームのそれぞれを前記１つまたは複数のイオンのうちの対応するイオンに画像化するステップを含む、
    請求項２３に記載の方法。
  34. 前記ＱＩＰシステム内の音響光学変調器（ＡＯＭ）によって、前記１つまたは複数の光ビームを回折させるトーンを有する前記１つまたは複数の光ビームを変調するステップをさらに含み、
    前記１つまたは複数の光ビームを受け取るステップは、回折された前記１つまたは複数の光ビームを受け取るステップを含み、
    前記１つまたは複数の楕円ガウス光ビームのそれぞれを前記対応するイオン上に画像化するステップは、前記光学システムに、回折された前記１つまたは複数の光ビームに、前記第一の方向および前記第二の方向に異なる倍率を適用させるステップを含む、
    請求項３３に記載の方法。
  35. 前記第一の方向の倍率、前記第二の方向の倍率、またはその両方が、前記１つまたは複数の光ビームのそれぞれの半径を１／４０〜１／１００に縮小する縮小率である、請求項２３に記載の方法。
  36. 前記第一の光学部品は球面レンズであり、
    前記第二の光学部品は第一の負の円柱レンズであり、
    前記第三の光学部品は第二の負の円柱レンズであり、伝搬方向に沿って前記第一の光学部品の後で前記第二の光学部品の前に配置され、
    前記１つまたは複数の楕円ガウス光ビームを画像化するステップは、前記伝搬方向に沿って前記第三の光学部品の前の位置に、前記１つまたは複数の楕円ガウス光ビームを仮想的に画像化するステップを含む、
    請求項２３に記載の方法。
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