一种离子阱及量子计算装置的制作方法

1.本文涉及但不限于量子计算机技术，尤指一种离子阱及量子计算装置。


背景技术：

2.离子量子计算在超高真空中电离并囚禁用于量子操作的离子，如镱-171元素(yb-171)、钡-137元素(ba-137)等，利用激光操控离子的量子态，从而实现量子逻辑门操控或量子模拟算法；为了在超高真空环境下载入用于量子操作的离子，通常使用具有一定波长或频率的可用于电离原子的激光照射原子束，将需要囚禁的、具有指定质量数的原子电离，使用电场将电离后的离子囚禁在势阱中，完成上述离子的载入。
3.在实际使用中，通常有两种方式在真空中获得粒子束：1、将粒子源放置于可加热的容器内，通过电流加热的方式实现热激发，使原子从粒子源上蒸发出来，喷射到离子阱中待囚禁离子的区域；2、将粒子源放置于可固定激光烧蚀靶材的容器内，通过脉冲激光在几纳秒内以超高的峰值功率烧蚀激光烧蚀靶材材料表面，从而短暂、快速和高效地激发出少量的原子，使其喷射到离子阱中待囚禁离子的区域。
4.在真空中获得粒子束之后，相关技术通常采用光致电离对粒子束进行同位素筛选：同位素筛选是利用不同元素、不同同位素原子的电离激光存在几十至几千兆赫兹的频率差别来实现的，即通过调节电离激光的波长或频率，可以实现对同位素的精细筛选，从而获得指定质量数的离子。根据相对论原理，由于粒子束中的每个原子都具有一定的速度，因此每个原子感受到的激光频率各有差别，即对于粒子束而言，存在多普勒展宽和多普勒频移，使得原子感受到的激光频率发生变化；单一频率的窄线宽激光也会令原本不应该被电离的其他同位素原子发生电离，影响电离效果与载入离子的纯度。由于离子量子计算需要囚禁用于量子操作的离子，而实际使用的粒子源材料可以是未提纯的、自然丰度的材料，也可以是提纯后的材料；通常可购买得到的提纯材料丰度在90％～97％，因此如果不加抑制，依然有较大概率在囚禁离子时载入不希望得到的其他同位素离子。为了在离子阱量子计算的离子载入过程中获得指定种类的、用于量子操作的离子，需要将电离激光的前进方向调节至垂直于粒子束的喷射方向，即原子的速度方向；然而，由于离子阱量子计算需要利用激光照射被稳定囚禁的离子晶体，提供用于囚禁离子电场的离子阱装置装配于带有光学视窗的真空腔内；此类真空腔的视窗具有特定夹角。相关技术中，为了不遮挡视窗，粒子源需要被装配于两个视窗之间，导致通过侧视窗入射的电离激光无法垂直于原子束方向。
5.对于基于激光烧蚀靶材获得原子束的方法，如果激光烧蚀靶材是金属盐，如氯化钡、氯化镱或钛酸钡等，被高能激光烧蚀出的粒子束中除所需原子外，还将携带大量正负离子，包括钡离子(ba
+
,ba
2+
)、氯离子(cl-)，乃至氯化钡离子(bacl
+
)等。这些正负电荷离子将会被离子阱中已被电离和囚禁的离子协同冷却下来，污染离子阱中的离子晶体。且激光烧蚀靶材喷射出的粒子束通常具有极大的发散角，很容易污染离子阱电极和其他光学窗口。
6.综上，在离子阱系统中通过抑制多普勒频移和多普勒展宽，以实现高质量的同位素筛选是一个亟待解决的问题。


技术实现要素：

7.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。
8.本发明实施例提供一种离子阱及量子计算装置，能够抑制多普勒频移和多普勒展宽，提升离子同位素的筛选效果。
9.本发明实施例提供了一种离子阱，包括：真空腔体、离子囚禁装置和粒子束发生装置；其中，
10.粒子束发生装置设置于预设法兰接口位置，用于：沿非光学法兰接口方向喷射粒子束；
11.其中，所述粒子束包括：原子束或离子束；所述非光学法兰接口方向包括离子阱真空腔体上预设法兰接口的法线方向；所述预设法兰接口包括：真空法兰接口和电学法兰接口。
12.另一方面，本发明实施例还提供一种量子计算装置，包括上述的离子阱。
13.本技术技术方案包括：真空腔体、离子囚禁装置和粒子束发生装置；其中，粒子束发生装置设置于预设法兰接口位置，用于：沿非光学法兰接口方向喷射粒子束；其中，所述粒子束包括：原子束或离子束；所述非光学法兰接口方向包括离子阱真空腔体上预设法兰接口的法线方向；所述预设法兰接口包括：真空法兰接口和电学法兰接口。本发明实施例通过在预设法兰接口位置设置粒子束发生装置，使粒子束沿非光学法兰接口方向喷射，使电离激光得以垂直于粒子束入射，实现了对多普勒频移与多普勒展宽的抑制。
14.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。
附图说明
15.附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本技术的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。
16.图1为本发明实施例离子阱的结构框图；
17.图2为相关技术中的离子阱的结构框图；
18.图3为本发明应用示例基于立方腔的离子阱的组成结构示意图；
19.图4为本发明应用示例一离子阱的组成结构示意图；
20.图5为本发明应用示例另一离子阱的组成结构示意图；
21.图6为本发明应用示例准直孔结构的工作示意图。
具体实施方式
22.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
23.在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺
序执行所示出或描述的步骤。
24.图1为本发明实施例离子阱的结构框图，如图1所示，包括：真空腔体、离子囚禁装置和粒子束发生装置；其中，
25.粒子束发生装置设置于预设法兰接口位置，用于：沿非光学法兰接口方向喷射粒子束；
26.其中，粒子束包括：原子束或离子束；非光学法兰接口方向包括离子阱真空腔体上预设法兰接口的法线方向；预设法兰接口包括：真空法兰接口和电学法兰接口。
27.本发明实施例通过在预设法兰接口位置设置粒子束发生装置，使粒子束沿非光学法兰接口方向喷射，使电离激光得以垂直于粒子束入射，实现了对多普勒频移与多普勒展宽的抑制。
28.在一种示例性实例中，本发明实施例中的光学法兰接口包括：具有视窗的光学窗口；在一种示例性实例中，本发明实施例中的真空法兰接口用于连接包括减径管、五通管、法兰盖等其他真空部件；
29.在一种示例性实例中，本发明实施例中的电学法兰接口包括电学馈通窗口。
30.需要说明的是，本发明虽然沿非光学法兰接口法线方向喷射粒子束，但实际操作过程中，粒子束喷射方向和非光学法兰接口法线方向大致重合即可，可以允许有一定的误差。
31.在一种示例性实例中，本发明实施例中离子囚禁装置包括刀片阱或一体化阱，离子束喷射方向沿刀片阱或一体化阱的轴向方向。
32.在一种示例性实例中，本发明实施例中的真空腔体包括以下一项或任意组合的腔体：八角腔、立方腔和半球腔等。
33.在一种示例性实例中，本发明实施例中的粒子束发生装置包括：
34.通过电流加热蒸发而喷射出粒子的原子炉；
35.其中，粒子包括原子或离子。
36.在一种示例性实例中，本发明实施例中的粒子束发生装置包括：
37.通过预设的脉冲激光烧蚀材料表面而喷射出粒子的激光烧蚀靶材；
38.其中，粒子包括原子或离子。
39.在一种示例性实例中，本发明实施例中的原子炉中用于热蒸发的材料包括以下任意种类的材料之一或其任意组合：
40.粒子的金属单质；
41.含有粒子元素的化合物；
42.含有粒子元素的混合物；
43.其中，粒子包括用于量子操作的：原子或离子；粒子元素包括该元素的同位素。
44.在一种示例性实例中，本发明实施例中的激光烧蚀靶材的材料包括以下任意种类的材料之一或其任意组合：
45.粒子的金属单质；
46.含有粒子元素的化合物；
47.含有粒子元素的混合物；
48.其中，粒子包括用于量子操作的：原子或离子；粒子元素包括该元素的同位素。
49.需要说明的是，本发明实施例离子元素包含若干种同位素，若干种同位素可以具有不同丰度比例；在一种示例性实例中，本发明实施例可以由技术人员选择一定丰度比例的材料，作为原子炉或激光烧蚀靶材的材料。
50.在一种示例性实例中，本发明实施例粒子束发生装置还包括用于过滤粒子束中发散角大于预设角度的粒子的准直孔结构。
51.在一种示例性实例中，本发明实施例中的准直孔结构设置有绝缘于腔体的金属，通过电学馈通接收预设电压值的电压，用于：
52.对激光烧蚀出的粒子束中携带正负电荷的杂质粒子施加电场，使其偏离粒子束的前进方向。
53.在一种示例性实例中，本发明实施例接收预设电压值的电压的电学馈通与上述预设法兰接口为电学馈通时，两个电学馈通可以是同一组成，也可以是两个不同的组成。
54.本发明实施例通过对激光烧蚀出的粒子束中携带正负电荷的杂质粒子施加电场，避免了离子晶体的污染。
55.在一种示例性实例中，预设电压值包括小于100伏的电压值；在一种示例性实例中，本发明实施例预设电压值等于1伏。
56.在一种示例性实例中，本发明实施例中的准直孔结构包括以下任意形状之一的结构：孔状、管状或网状。
57.本发明实施例还提供一种量子计算装置，包括离子阱，离子阱包括：真空腔体、离子囚禁装置和粒子束发生装置；其中，
58.粒子束发生装置设置于预设法兰接口位置，用于：沿非光学法兰接口方向喷射粒子束；
59.其中，粒子束包括：原子束或离子束；非光学法兰接口方向包括离子阱真空腔体上预设法兰接口的法线方向；预设法兰接口包括：真空法兰接口和电学法兰接口。
60.以下通过应用示例对本发明实施例进行简要说明，应用示例仅用于陈述本发明实施例，并不用于限定本技术的保护范围。
61.应用示例
62.本发明应用示例中的离子阱量子计算通常采用八角腔、立方腔或半球腔等超高真空的真空腔体中囚禁指定种类的用于量子操作的离子，本发明应用实例中的粒子束为原子束，粒子为原子；八角腔和半球腔通常可以从俯视图角度抽象为一个八边形，具有8个法兰接口。如图2所示，由于电学连接需要，一个法兰接口作为电学法兰接口，用于安装电学馈通以连接高功率射频信号，为离子阱提供射频驱动以囚禁离子；另有一个法兰接口作为真空接口，安装减径管、五通管、法兰盖或其他真空器件，将真空腔体与后端的真空泵和/或直流信号线馈通相连接；除上述两个法兰接口外，其他法兰接口均安装具有透光玻璃的透光视窗，用以基于通过的激光对被囚禁在离子阱中的离子进行操控；在相关技术的离子阱架构中，为了避免遮挡透光视窗、影响光通量，通常将图2中的原子炉和激光烧蚀靶材放置在两个透光视窗法兰接口之间的腔壁位置并通过机械装置固定，由于侧视窗的大小限制，任何透光视窗的窗口通过的激光与原子束的夹角通常最佳能够达到75
°
，但无法形成直角以抑制多普勒频移与多普勒展宽，且对于激光烧蚀靶材，这样的安装势必会导致烧蚀激光需要穿过离子阱或从上下透光视窗才能照射到激光烧蚀靶材上，极为不便。
63.对于立方腔而言，在一些架构中可以依然如上述方式设置电学法兰接口和真空法兰接口，本发明实施例如图3所示：由于立方腔存在一些斜向法兰接口，因此可以将电学法兰接口置于其中一个斜向法兰接口；此时，同样利用这种电学法兰接口，可以固定安装原子炉或激光烧蚀靶材；由于立方腔的对称性，如图所示，存在法兰接口使得从中可以入射垂直于粒子束方向的电离激光。此外，真空法兰接口亦可用于安装原子炉或激光烧蚀靶材，如前所述。
64.本发明实施例中，对于相关技术中的离子阱架构，参见图4，可以将激光烧蚀靶材或原子炉安装在减径管一侧；在一种示例性实例中，离子阱为包含8个法兰接口的结构时，参见图5，还可以将激光烧蚀靶材或原子炉安装在电学馈通一侧；喷射出的粒子束可以方便地与侧面的两个透光视窗中入射的激光形成90
°
夹角，从而实现对多普勒频移与多普勒展宽的抑制；对于激光烧蚀靶材，可见从激光烧蚀靶材远端的透光视窗入射的烧蚀激光不会被遮挡，具有用于电离获得原子的光学通量，能够避开真空腔体内的其他设施。为了进一步抑制粒子束的发散与杂质离子，本发明应用实例可以设置一个准直孔结构，通过准直孔结构减小过大的发散角，如图6所示，在准直孔结构处施加电压后，可以对激光烧蚀出的粒子束中携带的正负电荷施加影响，使其偏离粒子束前进方向，不会进入到离子阱中心，进而不会被离子晶体协同冷却而污染离子晶体。
65.本应用示例为了在离子量子计算中，通过抑制多普勒频移和多普勒展宽，实现了高质量的同位素筛选，获得纯净的、用于离子操作的离子，离子束发生装置，可以兼容热激发原子源与激光烧蚀原子源，且电离激光不被遮挡，提升了用于电离获得原子的光学通量，更利于实现电离激光垂直于粒子束，抑制了多普勒频移和多普勒展宽。对于激光烧蚀靶材，通过增设可单独施加电压的准直孔结构，对发散角大于预设角度的粒子束进行过滤，过滤了杂质离子，提升了离子晶体纯度。
66.本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统、装置中的功能模块/单元可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。在硬件实施方式中，在以上描述中提及的功能模块/单元之间的划分不一定对应于物理组件的划分；例如，一个物理组件可以具有多个功能，或者一个功能或步骤可以由若干物理组件合作执行。某些组件或所有组件可以被实施为由处理器，如数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质(或非暂时性介质)和通信介质(或暂时性介质)。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于ram、rom、eeprom、闪存或其他存储器技术、cd-rom、数字多功能盘(dvd)或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。

技术特征：
1.一种离子阱，包括：真空腔体、离子囚禁装置和粒子束发生装置；其中，粒子束发生装置设置于预设法兰接口位置，用于：沿非光学法兰接口方向喷射粒子束；其中，所述粒子束包括：原子束或离子束；所述非光学法兰接口方向包括离子阱真空腔体上预设法兰接口的法线方向；所述预设法兰接口包括：真空法兰接口和电学法兰接口。2.根据权利要求1所述的离子阱，其特征在于，所述真空腔体包括以下一项或任意组合的腔体：八角腔、立方腔和半球腔。3.根据权利要求1-2任一项所述的离子阱，其特征在于，所述粒子束发生装置包括：通过电流加热蒸发而喷射出粒子的原子炉；其中，所述粒子包括原子或离子。4.根据权利要求1-2任一项所述的离子阱，其特征在于，所述粒子束发生装置包括：通过预设的脉冲激光烧蚀材料表面而喷射出粒子的激光烧蚀靶材；其中，所述粒子包括原子或离子。5.根据权利要求3所述的离子阱，其特征在于，所述原子炉中用于热蒸发的材料包括以下任意种类的材料之一或其任意组合：粒子的金属单质；含有所述粒子元素的化合物；含有所述粒子元素的混合物；其中，所述粒子包括用于量子操作的：原子或离子；所述粒子元素包括该元素的同位素。6.根据权利要求4所述的离子阱，其特征在于，所述激光烧蚀靶材的材料包括以下任意种类的材料之一或其任意组合：粒子的金属单质；含有所述粒子元素的化合物；含有所述粒子元素的混合物；其中，所述粒子包括用于量子操作的：原子或离子；所述粒子元素包括该元素的同位素。7.根据权利要求6所述的离子阱，其特征在于，所述粒子束发生装置还包括用于过滤所述粒子束中发散角大于预设角度的粒子的准直孔结构。8.根据权利要求7所述的离子阱，其特征在于，所述准直孔结构设置有绝缘于腔体的金属，通过电学馈通接收预设电压值的电压，用于：对激光烧蚀出的所述粒子束中携带正负电荷的杂质粒子施加电场，使其偏离所述粒子束的前进方向。9.根据权利要求7所述的离子阱，其特征在于，所述准直孔结构包括以下任意形状之一的结构：孔状、管状或网状。10.一种量子计算装置，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的离子阱。

技术总结
本文公开一种离子阱及量子计算装置，包括：真空腔体、离子囚禁装置和粒子束发生装置；其中，粒子束发生装置设置于预设法兰接口位置，用于：沿非光学法兰接口方向喷射粒子束；其中，粒子束包括：原子束或离子束；非光学法兰接口方向包括离子阱真空腔体上预设法兰接口的法线方向；预设法兰接口包括：真空法兰接口和电学法兰接口。本发明实施例通过在预设法兰接口位置设置粒子束发生装置，使粒子束沿非光学法兰接口方向喷射，使电离激光得以垂直于粒子束入射，实现了对多普勒频移与多普勒展宽的抑制。制。制。


技术研发人员：毛志超 姚麟 连文倩
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：2023.05.06
技术公布日：2023/7/18