[發明專利]一種激光傳輸裝置及離子阱系統

在審

• 申請號: 202111101860.0
• 申請日: 2021-09-18
• 公開（公告）號: CN115826135A
• 公開（公告）日: 2023-03-21
• 發明（設計）人: 楊超;胡鐵;易飛
• 申請（專利權）人: 華為技術有限公司
• 主分類號: G02B6/122
• 分類號: G02B6/122;G02B6/14;G02B6/32
• 代理公司: 北京同達信恒知識產權代理有限公司 11291
• 代理人: 周云

本申請公開了一種激光傳輸裝置及離子阱系統。該激光傳輸裝置應用于離子阱系統中，包括空間模斑變換器和衍射元件陣列，空間模斑變換器和衍射元件陣列在空間中位于不同的平面；空間模斑變換器用于將多路激光照射至衍射元件陣列；衍射元件陣列用于將多路激光分別獨立照射至對應的離子，經過衍射元件后沿垂直于離子鏈方向出射的一列激光互不平行。在該方案中，由于衍射元件陣列不與空間模斑變換器共面，故其排布方式、數量不受空間模斑變換器限制，易擴展；且不共面設計使得光纖不必直接與芯片耦合，避免了芯片尺寸對光纖數量的限制；衍射元件陣列排布，有利于增加衍射元件的數值孔徑，增加衍射元件的聚焦能力，輸出高質量的聚焦小光斑，降低串擾。

技術領域

本申請涉及量子計算技術領域，尤其涉及一種激光傳輸裝置及離子阱系統。

背景技術

隨著信息技術的發展，量子計算越來越受關注。量子計算的特殊之處在于，量子態的疊加特性使得大規模“并行”計算成為可能。這是因為量子計算的基本原理是利用量子比特(即離子)對信息進行編碼，其中，單個量子比特的狀態不僅有0和1兩種經典態，還可以有0和1的疊加態(如圖1所示，量子比特可以處在一半幾率在0態，一半幾率在1態)，n個量子比特可以同時處于2ⁿ個量子態的疊加狀態。各量子算法就是在不同數量的量子比特上進行不同的量子操作，量子比特數目越多，其并行加速能力就越強，對于相同問題其求解的速率就越快。

在量子計算機的物理實現方面，目前國際主流方案為采用離子阱系統或者超導系統。其中，采用離子阱系統進行量子計算的基本過程如下：加熱的原子外層電子被電離后形成離子；在真空腔中，離子阱集成芯片產生的交變的射頻電場和直流電場將離子囚禁成離子鏈；被冷卻光冷卻的離子與自離子阱集成芯片出射的操控光相互作用達到特定的量子態；通過對量子態的操控實現量子計算。

在多離子場景下，離子量子態的操控由互相獨立的操控光打到不同的離子上實現。離子量子態的操控，由互相獨立的聚焦激光(箭頭)打到不同的離子上實現；量子態的探測裝置由成像光路和CCD、PMT等對熒光讀取實現。量子門操作，通過外圍的時序控制單元控制操控激光的時長等完成。

然而，目前的離子阱系統受限于光學元件的尺寸、排布，難以實現小光斑聚焦，難以拓展離子長鏈的規模，從而影響量子計算機的計算能力。

發明內容

本申請實施例提供一種激光傳輸裝置及離子阱系統，能夠解決離子阱系統中離子數量不易拓展的問題。

第一方面，本申請實施例提供一種激光傳輸裝置，該激光傳輸裝置應用于離子阱系統中。具體的，該裝置包括空間模斑變換器和衍射元件陣列，空間模斑變換器和衍射元件陣列在空間中位于不同的平面；空間模斑變換器用于將多路激光照射至所述衍射元件陣列；衍射元件陣列用于將多路激光分別獨立照射至對應的離子，且所述多路激光中的部分激光，在經過衍射元件陣列中沿垂直于離子鏈方向的一列衍射元件后互不平行，經過衍射元件陣列后的每路激光對應離子鏈中的一個離子，上述離子鏈為包括多個離子的一維長鏈。

在傳統的離子阱系統中，光纖直接與芯片耦合，波導和衍射元件均設置在芯片上，受到排布方式、芯片尺寸的限制，很難拓展光纖、衍射元件的數量。而在本申請上述方案中，首先將衍射元件排布成二維陣列樣式，并將空間模斑變換器與衍射元件陣列置于與衍射元件陣列不同的平面上，因此，若將衍射元件陣列仍置于芯片上，則空間模斑變換器位于芯片外部，從而能夠大幅提升衍射元件的數量；此外，由于空間模斑變換器位于芯片外部，則用于提供激光光源的光纖不論直接是否直接與空間模斑變換器耦合，都使得光纖不必直接與芯片耦合，從而避免了芯片尺寸對光纖數量的限制；由于上述裝置對光纖數量、衍射元件數量的限制大幅降低，從而能夠實現更多數量的獨立激光對離子鏈上的離子進行分別照射，進而能夠增加離子阱系統中離子的數量，提高量子計算的計算能力。另一方面，衍射元件陣列排布，有利于增加衍射元件的數值孔徑，增加衍射元件的聚焦能力，輸出高質量的聚焦小光斑，降低串擾。