[发明专利]一种激光传输装置及离子阱系统

说明书

本申请公开了一种激光传输装置及离子阱系统。该激光传输装置应用于离子阱系统中，包括空间模斑变换器和衍射元件阵列，空间模斑变换器和衍射元件阵列在空间中位于不同的平面；空间模斑变换器用于将多路激光照射至衍射元件阵列；衍射元件阵列用于将多路激光分别独立照射至对应的离子，经过衍射元件后沿垂直于离子链方向出射的一列激光互不平行。在该方案中，由于衍射元件阵列不与空间模斑变换器共面，故其排布方式、数量不受空间模斑变换器限制，易扩展；且不共面设计使得光纤不必直接与芯片耦合，避免了芯片尺寸对光纤数量的限制；衍射元件阵列排布，有利于增加衍射元件的数值孔径，增加衍射元件的聚焦能力，输出高质量的聚焦小光斑，降低串扰。

技术领域

本申请涉及量子计算技术领域，尤其涉及一种激光传输装置及离子阱系统。

背景技术

随着信息技术的发展，量子计算越来越受关注。量子计算的特殊之处在于，量子态的叠加特性使得大规模“并行”计算成为可能。这是因为量子计算的基本原理是利用量子比特(即离子)对信息进行编码，其中，单个量子比特的状态不仅有0和1两种经典态，还可以有0和1的叠加态(如图1所示，量子比特可以处在一半几率在0态，一半几率在1态)，n个量子比特可以同时处于2ⁿ个量子态的叠加状态。各量子算法就是在不同数量的量子比特上进行不同的量子操作，量子比特数目越多，其并行加速能力就越强，对于相同问题其求解的速率就越快。

在量子计算机的物理实现方面，目前国际主流方案为采用离子阱系统或者超导系统。其中，采用离子阱系统进行量子计算的基本过程如下：加热的原子外层电子被电离后形成离子；在真空腔中，离子阱集成芯片产生的交变的射频电场和直流电场将离子囚禁成离子链；被冷却光冷却的离子与自离子阱集成芯片出射的操控光相互作用达到特定的量子态；通过对量子态的操控实现量子计算。

在多离子场景下，离子量子态的操控由互相独立的操控光打到不同的离子上实现。离子量子态的操控，由互相独立的聚焦激光(箭头)打到不同的离子上实现；量子态的探测装置由成像光路和CCD、PMT等对荧光读取实现。量子门操作，通过外围的时序控制单元控制操控激光的时长等完成。

然而，目前的离子阱系统受限于光学元件的尺寸、排布，难以实现小光斑聚焦，难以拓展离子长链的规模，从而影响量子计算机的计算能力。

发明内容

本申请实施例提供一种激光传输装置及离子阱系统，能够解决离子阱系统中离子数量不易拓展的问题。

第一方面，本申请实施例提供一种激光传输装置，该激光传输装置应用于离子阱系统中。具体的，该装置包括空间模斑变换器和衍射元件阵列，空间模斑变换器和衍射元件阵列在空间中位于不同的平面；空间模斑变换器用于将多路激光照射至所述衍射元件阵列；衍射元件阵列用于将多路激光分别独立照射至对应的离子，且所述多路激光中的部分激光，在经过衍射元件阵列中沿垂直于离子链方向的一列衍射元件后互不平行，经过衍射元件阵列后的每路激光对应离子链中的一个离子，上述离子链为包括多个离子的一维长链。

在传统的离子阱系统中，光纤直接与芯片耦合，波导和衍射元件均设置在芯片上，受到排布方式、芯片尺寸的限制，很难拓展光纤、衍射元件的数量。而在本申请上述方案中，首先将衍射元件排布成二维阵列样式，并将空间模斑变换器与衍射元件阵列置于与衍射元件阵列不同的平面上，因此，若将衍射元件阵列仍置于芯片上，则空间模斑变换器位于芯片外部，从而能够大幅提升衍射元件的数量；此外，由于空间模斑变换器位于芯片外部，则用于提供激光光源的光纤不论直接是否直接与空间模斑变换器耦合，都使得光纤不必直接与芯片耦合，从而避免了芯片尺寸对光纤数量的限制；由于上述装置对光纤数量、衍射元件数量的限制大幅降低，从而能够实现更多数量的独立激光对离子链上的离子进行分别照射，进而能够增加离子阱系统中离子的数量，提高量子计算的计算能力。另一方面，衍射元件阵列排布，有利于增加衍射元件的数值孔径，增加衍射元件的聚焦能力，输出高质量的聚焦小光斑，降低串扰。