一种实现量子操作的装置及量子计算机的制作方法

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机。

背景技术：

1、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激光冷却、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。对于紫外光而言，这种散射还会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。

2、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。

3、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。

技术实现思路

1、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。

2、本发明实施例提供一种实现量子操作的装置及量子计算机，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。

3、本发明实施例提供了一种实现量子操作的装置，包括：光学调制器和操作单元；其中，

4、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；

5、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；

6、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所述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。

7、在一种示例性实例中，所述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。

8、在一种示例性实例中，所述光学调制器包括：

9、平顶光学整形元件或空间光调制器slm。

10、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。

11、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，设置为：

12、调整所述平顶激光在离子晶体上照射的位置；和/或，

13、对所述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。

14、在一种示例性实例中，所述对所述平顶激光进行聚焦处理，包括，对所述平顶激光进行聚焦，使调整后的所述激光光斑满足以下条件之一：

15、覆盖一半以上离子的全局激光；只覆盖单个离子的寻址激光；

16、覆盖两个以上离子、但小于一半离子的寻址激光。

17、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：

18、反射镜系统、聚焦透镜系统或物镜系统。

19、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：

20、由单个的球面透镜、非球面透镜或柱面透镜组成的系统；

21、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。

22、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光束整形单元，设置为：

23、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。

24、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及以上组成的系统：

25、扩束系统、缩束系统和光斑椭圆程度整形系统。

26、在一种示例性实例中，所述装置还包括寻址系统，设置为：

27、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。

28、在一种示例性实例中，所述寻址系统还设置为：当所述操作激光非全局激光时，在空间上对所述操作激光进行偏转操控；

29、其中，所述非全局激光包括：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。

30、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。

31、另一方面，本发明实施例还提供一种量子计算机，包括上述的实现量子操作的装置。

32、本申请技术方案包括：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。本发明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，本发明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。

33、本发明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，或者通过实施本发明而了解。本发明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。

技术特征：

1.一种实现量子操作的装置，包括：光学调制器和操作单元；其中，

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：

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述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。

4.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。

5.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，设置为：

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述对所述平顶激光进行聚焦处理，包括，对所述平顶激光进行聚焦，使调整后的所述激光光斑满足以下条件之一：

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

8.根据权利要求7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：

9.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光束整形单元，设置为：

10.根据权利要求9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：

11.根据权利要求1-10任一项所述的装置，其特征在于，所述装置还包括寻址系统，设置为：

12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述寻址系统还设置为：当所述操作激光非全局激光时，在空间上对所述操作激光进行偏转操控；

13.根据权利要求11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。

14.一种量子计算机，其特征在于，包括如权利要求1-13任一项所述的实现量子操作的装置。

技术总结
本文公开一种实现量子操作的装置及量子计算机，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。本发明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，本发明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。

技术研发人员：毛志超,赵文定,梅全鑫,蔡明磊,姚麟
受保护的技术使用者：华翊博奥（北京）量子科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12