[发明专利]用于量子计算的离子链的高效冷却

说明书

本公开描述了用于将离子链冷却至接近组合基态的不随链中离子的数量而增长的技术的各个方面。通过单独寻址每个离子并使用每个离子冷却不同的运动模式，可以同时冷却运动模式。在一个示例中，可以同时冷却全部运动模式的三分之一。在一个方面，所述技术包括：针对离子链中的每个离子生成边带冷却激光束；使用相应的边带冷却激光束同时冷却与离子链中的离子相关联的两个或更多个运动模式，直到所述两个或更多个运动模式中的每一个达到运动基态；以及在所述两个或更多个运动模式达到运动基态后，使用所述离子链执行量子计算。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年6月29日提交的名称为“EFFICIENT COOLING OF ION CHAINSFOR QUANTUM COMPUTATION”的美国临时专利申请No.62/692,099和2019年6月24日提交的名称为“EFFICIENT COOLING OF ION CHAINS FOR QUANTUM COMPUTATION”的美国专利申请No.16/450,779的优先权和权益，上述申请的全文通过引用明确并入本文。

技术领域

本公开的各个方面总体上涉及量子系统，更具体地，涉及用于量子计算中的原子量子位(qubit)的离子链的高效冷却。

背景技术

被捕获的原子是量子信息处理的主要实现之一。基于原子的量子位可以用作量子存储器、量子计算机和模拟器中的量子门，并且可以充当量子通信网络的节点。

需要在离子链中的物理量子位之间执行纠缠门，以实现大规模量子计算。为此，用被捕获的原子离子(量子位)进行的量子计算利用离子的组合运动来创建纠缠门。由于初始运动态影响门操作，因此离子通常在量子计算开始时或量子计算期间(如果使用协同(sympathetic)冷却的话)首先被冷却到接近运动基态。需要冷却的运动模式的数量与离子的数量成正比。传统上，运动模式是顺序冷却的，也就是说，下一个运动模式只有在前一个运动模式被冷却之后才被冷却。随着原子离子数量的增加，这导致总冷却时间延长。

随着冷却过程的延长，离子阱电极中电场波动对运动模式的加热会产生噪声，从而压倒冷却过程。因此，实施更快的冷却方法是有利的。因此，需要允许离子链的更高效冷却的技术。

发明内容

以下是一个或多个方面的简要概述，以便对这些方面有一个基本的了解。该发明内容并非对所有预期方面的广泛概述，且既不意图识别所有方面的核心或关键元件，也不意图描绘任何或所有方面的范围。其目的是以简化的形式呈现一个或多个方面的一些概念，作为稍后呈现的更详细描述的序言。

本公开描述了将离子链冷却到接近复合运动基态的技术，这种复合运动基态在执行时间内不会随着离子数量的增加而增长。通过单独寻址每个离子并使用每个离子冷却不同的运动模式，可以同时冷却多个运动模式。在一个示例中，可以同时冷却全部运动模式的三分之一。在其他示例中，可以冷却全部运动模式的其他数量。

在本公开的一个方面，描述了一种用于冷却具有多个离子的离子链的方法，该方法包括：针对所述离子链中的每个离子生成边带冷却激光束；使用相应的边带冷却激光束来同时冷却与所述离子链中的离子相关联的两个或更多个运动模式，直到所述两个或更多个运动模式中的每一个达到运动基态；以及在所述两个或更多个运动模式达到所述运动基态后，使用所述离子链执行量子计算。

在本公开的另一方面，描述了一种用于冷却具有多个离子的离子链的量子信息处理(quantum information processing,QIP)系统，该系统包括：一个或更多个光源，其被配置为针对所述离子链中的每个离子生成边带冷却激光束；光束控制器，其被配置为使用相应的边带冷却激光束来同时冷却与所述离子链中的离子相关联的两个或更多个运动模式，直到所述两个或更多个运动模式中的每一个达到运动基态；以及算法组件，其被配置为在所述两个或更多个运动模式达到所述运动基态后，使用所述离子链执行量子计算。