一种离子阱和量子计算装置的制作方法

1.本文涉及但不限于量子计算技术，尤指一种离子阱和量子计算装置。


背景技术：

2.要进行离子量子计算，需要将量子比特编码在离子的电子内态，而这一切的基础需要稳定捕获离子，即需要利用离子阱，通过在离子阱的直流电极上施加直流电压、射频电极上施加射频电压形成势阱，将带电离子捕获并囚禁在真空环境中。
3.常用于离子量子计算的离子阱为线性保罗阱，即在两个径向方向(x方向和y方向)形成射频势阱，轴向方向(z)形成静态势阱，从而达到三维空间的束缚。线性保罗阱通常利用一对射频(rf)电极形成射频势阱，另外利用一对直流(dc)电极形成静态势阱。然而线性保罗阱的离子阱构型只包括一对dc电极，其形成的静态势阱为二阶简谐势阱，无法控制离子间距，导致离子晶体存在不稳定的情况，不利于大规模量子计算。
4.为了提升离子晶体的稳定性，相关技术中使用刀片阱结构以增加dc电极的数量，制作多个dc电极沿着z方向排列。通过调整每一个dc电极的电压可以构成更加平坦的静态势阱，使得大规模离子晶体可以被稳定囚禁。图1是相关技术中刀片阱电极的横截面示意图，如图1所示，包括一对rf电极和一对dc电极。在rf电极上施加rf电场，可形成x方向到y方向上的束缚势阱；刀片阱电极的每一块dc电极包含多个电极分段；图2是相关技术中dc电极分段的示意图，如图2所示，调整每一个分段上所施加的直流电压，可以在z方向上形成平坦的囚禁势阱；上述电极分段通常在陶瓷基片上通过以下处理制作完成：在陶瓷基片上镀金；利用激光切割技术，将电极分割成电学上互不连接的多个分段。


技术实现要素：

5.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。
6.本实用新型实施例提供一种离子阱和量子计算装置，能够既保证电极分段加工精度，还降低电极分段加工对离子链稳定性的影响。
7.本实用新型实施例提供了一种离子阱，包括：安装于预设支架上的直流dc电极；
8.所述dc电极的前端设置有第一切割线，第一切割线与dc电极的靠近离子阱中心的边线所形成的角度为80度到90度；
9.其中，所述第一切割线为用于将所述dc电极切割为电极分段的切割线中位于所述dc电极的前端的切割线；所述dc电极为刀片电极，所述前端为刀片电极横截面为梯形的部分。
10.在一种示例性实例中，所述切割线中的第二切割线为弧形；
11.其中，所述第二切割线为位于衔接区域的切割线；所述衔接区域为所述dc电极的前端和所述dc电极除前端以外的其他部分的连接过渡区域。
12.在一种示例性实例中，所述电极分段的个数大于或等于5。
13.在一种示例性实例中，相邻的所述第一切割线之间的距离大于30微米。
14.在一种示例性实例中，所述离子阱还包括：安装于所述预设支架上的射频rf电极；
15.所述rf电极的前端设置有第三切割线，第三切割线与rf电极的靠近离子阱中心的边线所形成的角度为所述80度到90度；
16.其中，所述rf电极为刀片电极，所述第三切割线为用于对所述rf电极的前端进行切割的切割线。
17.在一种示例性实例中，所述第三切割线与所述第一切割线的数量相同。
18.在一种示例性实例中，所述第三切割线与第一切割线在离子阱的静态势阱方向上分布位置相同。
19.还一方面，本实用新型实施例还提供量子计算装置，包括上述离子阱：
20.本技术技术方案的离子阱包括：安装于预设支架上的直流(dc)电极；dc电极的前端设置有第一切割线，第一切割线与dc电极的靠近离子阱中心的边线所形成的角度为80度到90度；其中，所述第一切割线为用于将所述dc电极切割为电极分段的切割线中位于所述dc电极的前端的切割线；所述dc电极为刀片电极，所述前端为刀片电极横截面为梯形的部分。本实用新型实施例中，位于离子阱dc电极的前端的第一切割线与dc电极的靠近离子阱中心的边线构成80度到90度之间的一个夹角，既有效保证了电极分段加工精度，还避免了分布在前端的电极分段出现尖角断裂和间距不等的问题，同时降低了电极分段加工对离子链稳定性的影响。
21.本实用新型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，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型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
22.附图用来提供对本实用新型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实用新型的技术方案，并不构成对本实用新型技术方案的限制。
23.图1是相关技术中刀片阱电极的横截面示意图；
24.图2是相关技术中dc电极分段的示意图；
25.图3为相关技术dc电极的前端的示意图；
26.图4为本实用新型实施例dc电极的结构框图；
27.图5为本实用新型实施例第一切割线的示意图；
28.图6为本实用新型实施例第二切割线为弧形的dc电极的示意图；
29.图7为本实用新型实施例第二切割线的示意图；
30.图8为本实用新型实施例第一切割线和第三切割线的分布示意图。
具体实施方式
31.为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本实用新型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。
32.相关技术中离子阱的dc电极为刀片电极，dc电极靠近离子阱中心的部分的横截面为梯形，本文定义刀片电极中该横截面为梯形的部分为刀片电极的前端，本技术申请人分析发现：将dc电极切割成电极分段的切割线与dc电极的靠近离子阱中心的边线所形成的角度为小于80度锐角；图3为相关技术dc电极的前端的示意图，如图3所示，图中的角1、角2、角3和角4为切割线与dc电极的靠近离子阱中心的边线所形成的角度为锐角(角1、角2、角3和角4为切割线与dc电极的靠近离子阱中心的边线所形成的两个角中角度较小的角)，上述电极分段的加工难度大，精度低，锐角结构在电极分段的制备过程中容易出现尖角断裂、且各电极分段之间间距可能出现不相等的情况，此外，电极分段的上述问题还会影响离子链的稳定性，影响量子计算的规模。
33.本实用新型实施例离子阱包括：安装于预设支架上的直流(dc)电极；
34.参见图4，dc电极的前端设置有第一切割线，第一切割线与dc电极的靠近离子阱中心的边线所形成的角度为80度到90度；
35.其中，第一切割线为用于将dc电极切割为电极分段的切割线中位于dc电极的前端的切割线；dc电极为刀片电极，前端为刀片电极横截面为梯形的部分。
36.在一种示例性实例中，本实用新型实施例第一切割线与dc电极的靠近离子阱中心的边线所形成的角度是指：第一切割线与dc电极的靠近离子阱中心的边线所形成的两个角中角度较小的角。
37.在一种示例性实例中，本实用新型实施例前端为刀片电极靠近离子阱中心的一端。
38.在一种示例性实例中，本实用新型实施例离子阱还包括：安装于预设支架上的射频(rf)电极；在一种示例性实例中，本实用新型实施例中的rf电极为刀片电极。
39.需要说明的是，本实用新型实施例中离子阱中的支架与相关技术中的离子阱的支架相同，dc电极和rf电极的安装位置可以参照相关技术确定，例如：rf电极成对设置，dc电极成对设置，具体实现并不用于限定本技术的保护范围。
40.在一种示例性实例中，如图4所示，本实用新型实施例离子阱还包括与dc电极位于同一刀片电极上的：接地电极，接地电极与dc电极在电学上相互隔离；这里，接地电极的尺寸和dc电极的隔离设计可以参照相关理论设计，其具体实现并不用于限定本技术的保护范围，在此不做赘述。
41.需要说明的是，本实用新型实施例中rf电极，参照相关技术用于形成射频势阱，dc电极用于形成静态势阱。
42.本实用新型实施例中，位于离子阱dc电极的前端的第一切割线与dc电极的靠近离子阱中心的边线构成80度到90度之间的一个夹角，既有效保证了电极分段加工精度，还避免了分布在前端的电极分段出现尖角断裂和间距不等的问题，同时降低了电极分段加工对离子链稳定性的影响。
43.在一种示例性实例中，如何形成电极分段的切割线中除第一切割线以外的部分，可以参照相关理论实现，具体实现并不用于限定本技术的保护范围，在此不做赘述。
44.在一种示例性实例中，本实用新型实施例中的第一切割线与dc电极的靠近离子阱中心的边线所形成的角度为直角；图5为本实用新型实施例第一切割线的示意图，如图5所示，第一切割线和与dc电极靠近离子阱中心的边线形成直角。
45.在一种示例性实例中，本实用新型实施例中的dc电极的前端中，相邻的切割电极分段的第一切割线之间的距离大于30微米。
46.在一种示例性实例中，本实用新型实施例切割线的宽度可以是50微米。
47.在一种示例性实例中，本实用新型实施例第一切割线的长度可以小于dc电极前端的宽度(垂直于静态势阱方向上的高度)。
48.在一种示例性实例中，本实用新型实施例切割线中的第二切割线为弧形，其中，第二切割线为位于衔接区域的切割线；衔接区域为dc电极的前端和dc电极除前端以外的其他部分的连接过渡区域。
49.需要说明的是，本实用新型实施例中的除前端的其他部分可以是dc电极除去接地电极和横截面为梯形的前端后，剩余的横截面为矩形的部分。那么，衔接区域为横截面为梯形和矩形连接的区域。图6为本实用新型实施例第二切割线为弧形的dc电极的示意图，图7为本实用新型实施例第二切割线的示意图，参见图6和图7，虚线圆形圈定的第二切割线为弧形。
50.在一种示例性实例中，本实用新型实施例第二切割线的形状、长度等可以根据切割工艺进行分析确定。
51.本实用新型实施例第二切割线采用弧形结构，可以进一步降低dc电极的加工难度。
52.在一种示例性实例中，本实用新型实施例中的电极分段的个数大于或等于5。
53.本实用新型实施例dc电极中包含的分段电极的数量大于等于5。在保证加工精度的情况下，通过增加电极分段数量，为实现更复杂的离子阱功能提供结构基础；在一种示例性实例中，本实用新型实施例可以将dc电极分成七段，按照从左到右的分布排序，左边三个电极分段可以作为离子俘获区，右边五个电极分段可以用于构建离子囚禁区；其中，从左数第三个电极分段为共用电极，同时属于离子俘获区和离子囚禁区。离子首先在俘获区俘获并初步冷却，然后通过改变各个电极分段上的直流电压，将离子转移到离子囚禁区进行进一步的量子操控。
54.在一种示例性实例中，本实用新型实施例离子阱中还包括：安装于预设支架上的射频rf电极；
55.rf电极的前端设置有第三切割线，第三切割线与rf电极的靠近离子阱中心的边线所形成的角度为80度到90度；
56.其中，rf电极为刀片电极，第三切割线为用于对rf电极的前端进行切割的切割线。
57.本实用新型实施例通过在rf电极上设置第三切割线可以进一步提升离子阱离子链的稳定性。
58.在一种示例性实例中，本实用新型实施例中的第三切割线与第一切割线的数量相同。
59.在一种示例性实例中，本实用新型实施例中的第三切割线与第一切割线在离子阱的静态势阱方向上分布位置相同；本实用新型实施例dc电极和rf电极均为刀片电极，图8为本实用新型实施例第一切割线和第三切割线的分布示意图，如图8所示，根据第一切割线在离子阱的静态势阱方向上分布位置，本实用新型实施例确定rf电极上的第三切割线的分布位置，图中rf电极前端的4条第三切割线与dc电极前端的4条第一切割线在刀片电极的分布
位置相同。
60.本实用新型实施例还提供一种量子计算装置，包括上述离子阱。
61.在一种示例性实例中，本实用新型实施例中的量子计算装置可以包括：量子计算机、量子模拟设备和精密测量设备。
62.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。