一种激光传输装置及离子阱系统的制作方法

1.本技术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：

2.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。
3.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。
4.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。
5.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。


技术实现要素：

6.本技术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。
7.第一方面，本技术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。
8.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。而在本技术上述方案中，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。
9.在一种可能的实现方式中，上述装置还包括准直器阵列，用于对光纤阵列提供的多路激光进行准直，准直器阵列位于光纤阵列与空间模斑变换器之间，使得经过准直后的多路激光能够照射至空间模斑变换器。对激光进行准直，有利于提高激光的聚焦效果。尤其是对于经过衍射元件后衍射角较大的激光，由于衍射角较大会降低光斑质量；对激光进行准直后，有利于改善照射至离子的光斑质量。
10.在一种可能的实现方式中，所述衍射元件是由介质材料加工制备出的多个微纳单元形成的超表面结构。超表面结构可实现对电磁波偏振、振幅、相位、极化方式、传播模式等特性的灵活有效调控，更加便于对照射到离子链的激光进行调控。
11.在一种可能的实现方式中，在所述衍射元件阵列中，沿平行于离子链方向的相邻两个衍射元件，存在共用的微纳单元。沿平行于离子链方向的相邻两个衍射元件共用的微纳单元，能够使得衍射元件阵列排布更加紧密，进一步增加衍射元件的数量；沿平行于离子链方向的相邻两路激光都将会照射到共用的微纳单元上，但由于超表面结构的衍射元件，能够对激光的偏振进行调控，将两路激光设置为不同的偏振，即可使得同样照射到共用微纳单元的两路激光的出射方向不一致，从而照射至对应的离子上。
12.在一种可能的实现方式中，所述准直器阵列由多个准直透镜构成，沿垂直于所述离子链方向的多个准直透镜的焦距不同。一列激光在经过一列衍射元件后，衍射角有所不同，而衍射角较大，则会降低出射激光光斑的质量，因此，可以通过设置较大的准直透镜焦距，增强透镜的聚焦能力，提高出射激光光斑的质量，从而弥补激光经过衍射元件后衍射较大而导致光斑质量降低的问题。
13.在一种可能的实现方式中，所述准直器阵列包括光栅耦合器阵列，或者包括端面耦合器阵列。光栅耦合器或端面耦合器与光纤耦合，从而令光纤中传输的激光沿光栅耦合器或端面耦合器继续传播，有利于提高激光的耦合效率，减少激光能量损耗。
14.在一种可能的实现方式中，所述空间模斑变换器包括多个共焦的透镜；或者，所述空间模斑变换器为光波导阵列。至少两个共焦的透镜或透镜组，能够实现对激光进行“缩放”，使得出射后的激光阵列与衍射元件阵列相匹配。而光波导阵列可以引导光波在其中传播，每个光波导对应一个衍射元件，从而将激光阵列传输至对应的衍射元件阵列。
15.在一种可能的实现方式中，所述光波导为锥形光波导。锥形光波导有助于实现模斑尺寸的增大，减小输出发散角，从而实现与衍射光学元件的振幅匹配与相位匹配。
16.在一种可能的实现方式中，所述锥形光波导为弧形坡面结构。弧形坡面结构的锥形光波导，能够使模斑的转换更平滑，能够有效减少衍射效应的影响且减小锥形区域所需的长度。
17.在一种可能的实现方式中，所述装置还包括矩形波导阵列，用于将所述多路激光传输至所述空间模斑变换器。矩形光波导阵列可以设置在准直器阵列与空间模斑变换器之间，用于实现激光阵列的传输；若激光传输装置不包括准直器阵列，则矩形光波导阵列可以设置在光纤阵列与空间模斑变换器之间，用于实现激光阵列的传输。
18.在一种可能的实现方式中，所述装置位于真空腔中。将光学器件设置于真空腔中，能够有效避免光束的多级放大，减小光斑的大小，从而有助于减小离子阱系统的尺寸。
19.第二方面，本技术实施例提供一种离子阱系统，包括光纤阵列和如第一方面或第一方面任一项所述的激光传输装置，所述光纤阵列中的多个光纤与所述衍射元件阵列中的多个衍射元件一一对应。该离子系统对光纤数量、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。
20.在一种可能的实现方式中，上述光纤为热扩芯光纤。当衍射元件的数值孔径从中间向两边逐渐增大时，和/或准直透镜的焦距从中间向两边逐渐增大时，采用tec光纤可以实现与衍射元件匹配的较高质量的出射激光。
附图说明
21.图1为本技术实施例提供量子比特的原理示意图；
22.图2为本技术实施例提供的一种传统离子阱系统结构示意图；
23.图3a和图3b为本技术实施例提供的另一种传统离子阱系统结构示意图；
24.图4为本技术实施例提供的图3a中区域d’的放大示意图；
25.图5为本技术实施例提供的基于图3a和图3b所示离子阱系统的多离子排布的结构图；
26.图6为本技术实施例提供的一种激光传输装置结构示意图；
27.图7为本技术实施例提供的衍射元件阵列的排布示意图；
28.图8为本技术实施例提供的另一种激光传输装置结构示意图；
29.图9a为本技术实施例提供的光栅耦合器阵列示意图；
30.图9b为本技术实施例提供的端面耦合器阵列示意图；
31.图10为本技术实施例提供的两个衍射元件存在共用微纳单元的示意图；
32.图11a为本技术实施例提供的锥形光波导的结构示意图；
33.图11b为本技术实施例提供的光波导与衍射光学元件阵列的匹配示意图；
34.图12为本技术实施例提供的一个具体实施例中激光传输装置的结构示意图；
35.图13为本技术实施例提供的基于图12所示激光传输装置的光斑效果图；
36.图14a为本技术实施例提供的另一个具体实施例中激光传输装置的结构示意图；
37.图14b为本技术实施例提供的又一个具体实施例中激光传输装置的结构示意图；
38.图15为本技术实施例提供的基于图14a所示激光传输装置的光斑效果图；
39.图16为本技术实施例提供的一种离子阱系统示意图。
具体实施方式
40.在图2所示的一种离子阱系统中，利用传统光学元件来聚焦和寻址。具体的，n个离子在真空中被囚禁成一维长链，操控光分成两路，分别是全局拉曼光和独立拉曼光，每个独立拉曼光需要单独对准一个离子，即独立寻址；独立拉曼光经过分束器分束后，通过多通道声光调制器调制，然后经过一个具有较大数值孔径(na)的透镜聚焦，精准地打到离子链上。其中，调制器控制光的开关和频率，可以实现离子量子态的操控。然而，传统光学透镜组成的消像差透镜组的视场角有限，从而导致用于寻址的独立拉曼光个数有限，可拓展性差；且光束的多级放大，使得离子阱量子计算机的体积到了米的量级。
41.图3a和图3b分别为另一种离子阱系统的俯视图和侧视图。如图3a所示，两个射频电极01与直流电极02均与电源连接，在通电后射频电极01可以产生交变的射频电场，直流电极02可以产生直流电场，射频电场与直流电场配合产生用于囚禁离子的囚禁势阱。图3b为图3a中离子阱集成芯片001在b
’‑
b’处的侧视图。离子阱集成芯片001与光纤002连接，光纤002中传输特定频率和偏振的操控光。操控光从光纤002耦合进入离子阱集成芯片001，经过波导03传输后耦合到光栅区域c’，聚焦的集成光束打在囚禁离子上，实现量子态操控。
42.图4为图3a中区域d’的放大示意图。如图4所示，小球1和2即为示例的两个离子，图4中每个光栅04对应一个离子。图5为基于图3a和图3b所示出的离子阱集成芯片001所实现的多离子排布的俯视图，示例性的，离子与光栅04的数目均为5个。结合图3a、图3b、图4及图5可以看出，光纤直接与芯片耦合，波导和衍射元件均设置在芯片上，受到波导、衍射元件排布方式的限制，以及芯片尺寸的限制，芯片上能够设置的衍射元件数量有限、芯片能够耦合的光纤数量有限，从而限制了离子阱中离子的数量，降低了离子阱所在的量子计算系统的计算能力。
43.有鉴于此，本技术实施例提供一种能够应用于离子阱系统的激光传输装置，用于解决衍射元件数量不易扩展的问题，从而实现离子阱系统中离子数量的拓展。
44.图6为本技术实施例提供的激光传输装置的结构示意图，如图所示，本技术实施例提供的激光传输装置包括空间模斑变换器61和衍射元件阵列62，且空间模斑变换器61和衍射元件阵列62位于空间不同的平面上。
45.激光在经过如图6所示的激光传输装置时，在z轴方向上先经过空间模斑变换器61，再经过衍射元件阵列62，上述空间模斑变换器61和衍射元件阵列62位于空间不同的平面上，具体指空间模斑变换器61和衍射元件阵列62不位于相同的xoy平面上，即z坐标不相同。此外，虽然在图6中空间模斑变换器61和衍射元件阵列62位于相互平行的xoy平面上，但在一些实施例中，其所在平面也可以相互不平行。应当理解，上述空间模斑变换器61和衍射元件阵列62位于空间不同的平面上，并不构成对器件在z轴方向上长度的限定。
46.具体的，空间模斑变换器61用于将多路激光照射至衍射元件阵列，使得每路激光照射到衍射元件阵列62的一个衍射元件上。例如，光纤阵列的尺寸通常会大于衍射元件阵列的尺寸，因此，可以通过空间模斑变换器61对多路激光进行整体缩放，从而将每路激光照射至对应的衍射元件。
47.衍射元件阵列62用于将多路激光分别独立照射至离子链中对应的离子上，从而实现量子态操控。衍射元件阵列62包括若干个衍射元件，在一个具体实施例中，衍射元件阵列62可以如图7所示，每路激光对应照射至一个衍射元件，每个衍射元件对应一个离子，从而
实现将多路激光分别照射至离子链的各个离子上。图7中的a和b示例性的提供了两种衍射元件阵列62的排布方式，在实际应用时，衍射元件阵列62的排布方式并不限于此，还可以是其他排列方式。此外，图7中衍射元件阵列62中衍射元件的行数和列数也仅为举例，本技术对此并不限定。
48.离子链为一维长链，包括若干个离子，在图6所示的实施例中，一维离子链位于平行于x轴的直线上(由于图6中x轴为垂直于纸面方向，故离子链在图6中仅显示一个离子)，衍射元件阵列62设置于平行于xoy平面的平面上，由于经过衍射元件阵列62的多路激光需要分别独立照射至离子链中对应的离子，故一列激光在经过衍射元件阵列62中的在沿垂直于离子链方向(沿y轴方向)的一列衍射元件后，出射的激光互不平行。在图6所示的实施例中，在y轴方向上，离子链位于衍射元件阵列62的中间位置，故激光在经过衍射元件阵列62中沿y轴方向上中间位置的衍射元件后，衍射角较小；而激光在经过衍射元件阵列62中沿y轴方向上两边的衍射元件后，衍射角较大。
49.在上述实施例中，由于空间模斑变换器61与衍射元件阵列62位于空间中不同的平面上，因此，空间模斑变换器61不会影响衍射元件的排布。若将衍射元件阵列62置于芯片上，则空间模斑变换器61位于芯片外部，空间模斑变换器61不必占用芯片上有限的位置，从而有利于增加衍射元件的数量。此外，由于空间模斑变换器61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。
50.另一方面，由于衍射元件成阵列式排布，参见图7中的a，若第一列的5个衍射元件从上到下分别对应离子链上的离子1-5，则第二列的5个衍射元件从上到下分别对应离子链上的离子6-10，那么第一行中的第一个衍射元件和第二衍射元件分别对应离子链上的1和6，故，每个衍射元件的直径可以设置为5d，其中，d表示离子间距。图7中以衍射元件阵列62每列包括5个衍射元件为例，若每列包括n个衍射元件，则衍射元件的半径可以设置为n*d。因此，上述实施例有利于增加衍射元件的数值孔径，从而有助于增加衍射元件的聚焦能力，输出高质量的聚焦小光斑。此外，衍射元件阵列空间上无重叠，且采用离轴设计，即垂直于离子链方向上的光束互不平行，通道间的串扰低。
51.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；此外，还能够向离子链照射高质量的聚焦小光斑，提高量子计算系统的性能。
52.进一步的，上述激光传输装置还可以如图8所示，还包括准直器阵列63。准直器阵列63用于对光纤阵列传输的多路激光进行准直，并将准直后的多路激光照射至空间模斑变换器61。准直器阵列63能够对激光进行准直，同时能够对输出光斑的尺寸进行调整，有利于提高激光的聚焦效果。
53.准直器阵列63所包含的多个准直器与衍射元件阵列62所包含的多个衍射元件一一对应，即，一路激光在经过准直器后，通过空间模斑变换器61被照射至衍射元件阵列62中相应的衍射元件，并照射到相应的离子上。此外，准直器阵列63所包含的多个准直器也与光纤阵列所包含的多个光纤一一对应，即，每个光纤对应一个准直器，每个准直器对应一个衍射元件，每个衍射元件对应一个离子，故每路激光将被照射至其对应的离子上。
54.在一种可能的设计中，准直器阵列63可以由准直透镜阵列构成，每个准直透镜对应一个光纤阵列中的一个光纤，用于对该光纤传输的激光进行准直。准直透镜阵列的焦距需要与空间模斑变换器61进行匹配，如果需要准直透镜的焦距较大，也可以不设置准直透镜，令光纤阵列与空间模斑变换器61直接耦合。
55.准直透镜的排布方式也可以如图7所示。可以令准直透镜阵列的排布方式与衍射元件阵列的排布方式一致，以方便经过准直透镜的激光能够通过空间模斑变换器后被照射至对应的衍射元件。一个准直透镜的口径通常大于一个衍射元件的口径，即，准直器阵列63所占用的面积大于衍射元件阵列62所占用的面积；若准直器阵列63与衍射元件阵列62之间没有空间模斑变换器61，则无法将经过准直器阵列63后的多路激光分别独立照射至对应的衍射元件。而空间模斑变换器61多路激光进行整体缩放，从而将每路激光照射至对应的衍射元件。
56.在准直透镜阵列中，一列准直透镜(即沿垂直于离子链方向的准直透镜)的焦距可以有所不同。如前所述，一列激光在经过一列衍射元件后，衍射角有所不同。以离子链位于衍射元件阵列62的中间位置为例，故激光在经过一列衍射元件的中间位置的衍射元件后，衍射角较小；而激光在经过一列衍射元件上、下两边的衍射元件后，衍射角较大；而衍射角较大，则会降低出射激光光斑的质量。此时，可以在一列准直透镜的中间位置设置焦距较小的准直透镜，在一列准直透镜的上、下两边设置焦距较大的准直透镜。焦距较大的准直透镜，能够增强透镜的聚焦能力，提高出射激光光斑的质量，从而弥补激光经过衍射元件后衍射较大而导致光斑质量降低的问题。此外，设置不同的焦距，还有利于降低空间模斑变换器的复杂度，尤其是在衍射元件阵列的组成衍射元件不完全一样时，通过准直器焦距不同对输出的光斑尺寸的调整，可以实现衍射元件衍射效率的提升。
57.在另一种可能的设计中，准直器阵列63也可以包括光栅耦合器阵列，如图9a所示；或者，准直器阵列63也可以包括端面耦合器阵列，如图9b所示。图9a和图9b仅示例性的提供了准直器阵列63中一列准直器的示意图，如图所示，光栅耦合器或端面耦合器与光纤耦合，从而令光纤中传输的激光沿光栅耦合器或端面耦合器继续传播，光栅耦合器或端面耦合器对激光也具有准直的效果。若准直器阵列63为光栅耦合器阵列或端面耦合器阵列，从光纤阵列出射的激光在准直器阵列63沿介质传播，有利于提高激光的耦合效率，减少激光能量损耗。
58.光栅耦合器可以采用片上光栅耦合器，通过合理的光栅参数设计与材料选择来实现较高的耦合效率。端面耦合器可以采用三维锥形模斑转换器的倒易结构，通过采用弧面锥形结构来实现较高的耦合效率。
59.在一种可能的实现方式中，上述衍射元件阵列62中的衍射元件，可以为由介质材料加工制备出的多个微纳单元形成的超表面结构。例如，衍射元件可以为超表面结构的超透镜，每个超透镜可以包括若干电磁微纳单元，电磁微纳单元位于为椭圆柱、环形柱、多边形柱等各种结构，用于扩大聚焦口径，输出密集的聚焦光斑长链。而紧密排布的超透镜阵列中的多个超透镜，其数值孔径大小可以相等，也可以不等。如前所述，沿垂直于离子链方向的一列超透镜，其衍射角有所不同，由于衍射角较大会降低出射激光光斑质量，因此，为了弥补由于衍射角导致的光斑质量不一致的问题，可以对衍射角较大的衍射元件采用较大数值孔径的超透镜，以提高其聚焦能力，增强出射的光斑质量，对衍射角较小的衍射元件采用
数值孔径较小的超透镜。以离子链在y轴方向位于衍射元件阵列62的中心位置为例，则衍射元件阵列62在y轴方向上，衍射元件的数值孔径从中间向两边逐渐增大。
60.由于衍射元件可以是由多个微纳单元形成的超表面结构，因此，为了使得衍射元件阵列62排布更加紧密，进一步增加衍射元件的数量，还可以令沿平行于离子链方向的相邻两个衍射元件，存在共用的微纳单元。在图10所示的具体实施例中，每个实线圆圈表示一个衍射元件，阴影部分表示共用的微纳单元。应当理解，图10仅为一个具体示例，在实际应用时，两个衍射元件可以共用微纳单元的比例，可以比图10所示更多或更少。由于超表面结构的衍射元件，能够对激光的偏振、波长进行调控，因此，可以将沿平行于离子链方向的相邻两路激光设置为不同的偏振或不同的波长，使得虽然两路激光均照射至共用的微纳单元，但由于超表面结构的微纳单元能够对偏振、波长进行调控，使得不同偏振或不同波长的激光出射方向不同，从而照射至不同的离子上。例如，不同种类的离子对操控激光的波长需求可能有所不同，若离子链中存在不同种类的离子，则可以设置不同波长的激活，即能够满足对离子的操控需求，也能够实现多路激光照射到共用的微纳单元时能够沿不同的方向出射。
61.为了令照射到离子的激光具有更好的聚焦效果，可以将离子链与衍射元件阵列之间的距离(如图6、图8所示在z轴上的距离)设置为衍射元件的焦距，从而使得激光能够聚焦在离子上。
62.在一种可能的实现方式中，上述空间模斑变换器61可以为多个共焦的透镜。具体的，空间模斑变换器61可以包括至少两个共焦的透镜或透镜组，以实现对激光进行“缩放”，使得出射后的激光阵列与衍射元件阵列63相匹配。
63.在另一种可能的实现方式中，上述空间模斑变换器61也可以是光波导阵列。光波导(optical waveguide)是引导光波在其中传播的介质装置，又称介质光波导。光波导阵列可以用于传输激光阵列，并实现从准直器阵列63到衍射元件阵列62的间距转换，或者从光纤阵列到衍射元件阵列62的间距转换。当激光传输装置包括准直器阵列63时，每个光波导与一个准直器耦合，并将经过准直的激光传输至对应的一个衍射元件；当激光传输装置不包括准直器阵列63时，空间模斑变换器61可以直接与光纤阵列耦合，即每个光波导与一个光纤耦合，并将激光传输至对应的一个衍射元件。
64.光波导阵列中每个光波导，可以为锥形光波导。锥形光波导有助于实现模斑尺寸的增大，减小输出发散角，从而实现与衍射光学元件的振幅匹配与相位匹配。进一步的，锥形波导可以采用片上三维锥形波导方案，如图11a所示，其中，深色部分为光波导，浅色部分为介质。光波导的结构包括输入的单模波导(与准直器耦合部分，即图11a中前端深色细长部分)、实现模式宽度方向扩展的对称水平锥形转换器、实现模式高度方向扩展的片上垂直锥形转换器以及最后的输出波导(用于输出激光光斑至离子链)。进一步的，锥形坡面可以为弧形面，使模斑的转换更平滑，能够有效减少衍射效应的影响且减小锥形区域所需的长度。图11b进一步示意了本实施例锥形波导与衍射光学元件阵列的匹配结构，图11b以2行2列为例，水平方向(平行于离子链的方向)的2个光波导传输的激光的偏振不同，分别用te和tm表示，因此，虽然其对应的衍射元件存在共用部分，共用部分被2个光波导传输的激光所照射，但由于超透镜对光的偏振具有调控作用，因此两路激光在经过共用部分后，不同偏振的激光会沿不同的方向出射，从而照射至对应的离子。
65.可选的，上述激光传输装置还可以包括矩形光波导阵列或其他形状的光波导阵列，设置在准直器阵列63与空间模斑变换器61之间，用于实现激光阵列的传输；若激光传输装置不包括准直器阵列63，则矩形光波导阵列可以设置在光纤阵列与空间模斑变换器61之间，用于实现激光阵列的传输。
66.为了进一步提高光斑质量，上述激光传输装置可以全部设置于真空腔中。在图2所示的传统离子阱系统中，由于光学元器件都处在真空腔外，对光束的多级放大就不可避免，使得离子阱量子计算机的体积到了米的量级。而在本技术实施例中，可以将光学器件设置于真空腔中，能够有效避免光束的多级放大，减小光斑的大小，从而有助于减小离子阱系统的尺寸。
67.为了更加清楚理解本技术上述实施例，下面结合附图进行举例说明。
68.参见图12，为本技术提供的一个具体实施例。在图12所示的具体实施例中，激光传输装置包括准直器阵列63、空间模斑变换器61和衍射元件阵列62，均位于离子阱系统的真空腔中。其中，准直器阵列63为准直透镜阵列，光纤阵列的每个光纤将激光传输至准直透镜阵列中对应的一个准直透镜，准直透镜对激光进行准直，并将激光传输至空间模斑变换器61。空间模斑变换器61包括两个共焦的透镜(组)，用于将激光阵列照射至一一对应的衍射元件阵列62。衍射元件阵列62为超透镜阵列，超透镜阵列中的超透镜不存在共用的微纳单元。激光阵列中的一列激光(沿垂直于离子链方向排布的激光)，在经过超透镜阵列中对应的一列超透镜(沿垂直于离子链方向排布的超透镜)后，互不平行，从而使得每路激光均照射至一维离子长链中对应的离子上。
69.图12展示的为激光传输装置在yoz平面上的截面示意图，在该截面上，准直器阵列63仅能够显示出一列准直器，衍射元件阵列62仅能够显示出一列衍射元件，图中以每列包含5个准直器、5个衍射元件为例，实际应用时每列可以设置比图12更多或更少的准直器、衍射元件。应当理解，在垂直于纸面的方向上，还可以排布着若干列准直器和相应列数的衍射元件。例如，光纤阵列、准直器阵列63、衍射元件阵列在平行于yoz平面上的排布，可以如图7所示。类似的，由于离子链也位于垂直于纸面的方向，因此，图12中仅能够显示出一个离子。一列激光经过一列衍射元件后，照射至离子链中连续的不同离子上。
70.基于图12所示的具体实施例进行了仿真计算，以各阵列包括2行、2列为例，衍射元件阵列最终输出的用于对离子进行离子太操控的激光光斑的仿真实验数据可以如图13、表1和表2所示。
71.表1
[0072][0073]
表2
[0074][0075]
根据图13可以看出，最终输出的光斑的尺寸较小，且聚焦效果较好。上述表1，表示每路激光的耦合效率以及串扰矩阵。如表1所示，各路通道的耦合效率均在50％以上，与传统的离子阱系统相比，显著提高了耦合效率、降低了通道间的串扰。
[0076]
参见图14a和图14b，为本技术提供的另一个具体实施例。在图14a和图14b所示的具体实施例中，激光传输装置包括准直器阵列63、空间模斑变换器61和衍射元件阵列62，均位于离子阱系统的真空腔中。在图14a中，准直器阵列63为光栅耦合器阵列，每个光栅耦合器与光纤阵列中的一个光纤耦合，并将激光传输至空间模斑变换器61；在图14b中，准直器阵列63为端面耦合器，每个端面耦合器与光纤阵列中的一个光纤耦合，并将激光传输至空间模斑变换器61。端面耦合器61包括光波导阵列，用于将光栅耦合器阵列(或端面耦合器阵列)传输的激光阵列照射至一一对应的衍射元件阵列62。衍射元件阵列62为超透镜阵列，超透镜阵列中沿平行于离子链方向的相邻超透镜之间，存在共用的微纳单元。激光阵列中的一列激光(沿垂直于离子链方向排布的激光)，在经过超透镜阵列中对应的一列超透镜(沿垂直于离子链方向排布的超透镜)后，互不平行，从而使得每路激光均照射至一维离子长链中对应的离子上。
[0077]
图14a和图14b展示的为激光传输装置在xoy平面上的截面示意图，在该截面上，准直器阵列63仅能够显示出一行光栅耦合器或一行端面耦合器，空间模斑变换器61仅能够显示出一行光波导，衍射元件阵列仅能够显示出一行衍射元件。应当理解，在垂直于纸面的方向上，还可以排布着若干行光栅耦合器(或端面耦合器)、相应行数的光波导和相应行数的衍射元件。
[0078]
基于图14a所示的具体实施例进行了仿真计算，以各阵列包括2行、2列为例，衍射元件阵列最终输出的用于对离子进行离子太操控的激光光斑的实验数据可以如图15、表3和表4所示。
[0079]
表3
[0080][0081]
表4
[0082][0083]
根据图15可以看出，最终输出的光斑的尺寸较小，且聚焦效果较好。上述表3，表示每路激光的耦合效率以及串扰矩阵。如表3所示，各路通道的耦合效率均在50％以上，与传统的离子阱系统相比，显著提高了耦合效率、降低了通道间的串扰。
[0084]
基于相同的技术构思，本技术实施例还提供一种离子阱系统，该离子阱系统可以包括光纤阵列，以及前述任一实施例中的激光传输装置。
[0085]
在一种可能的实现方式中，上述光纤阵列中的光纤可以为热扩芯(tec)光纤。尤其是当衍射元件的数值孔径从中间向两边逐渐增大时，和/或准直透镜的焦距从中间向两边逐渐增大时，采用tec光纤可以实现与衍射元件匹配的较高质量的出射激光。
[0086]
图16示例性的提供了一种离子阱系统，如图所示，该离子阱系统包括真空系统16-1，激光系统16-2，囚禁电磁场产生装置16-3、探测装置1-4以及控制系统1-5。激光系统16-2包括本技术上述实施例提供的激光传输装置16-2-1，设置于真空系统16-1提供的真空腔o中。
[0087]
进一步的，激光系统16-2还包括操控光、探测光以及电离、冷却、泵浦光，该激光系统16-2通过激光传输装置16-2-1与离子阱集成芯片100连接；囚禁电磁场产生装置16-3与离子阱集成芯片100电连接，用以控制离子阱集成芯片100产生囚禁势阱；探测装置16-4由成像光路、荷藕合器件图像传感器(charge coupled device，ccd)和光电倍增管(photomultiplier tube，pmt)等组成，以对离子的量子态进行探测；控制系统16-5产生时序和开关等，以控制其他部分。具体来说，控制系统1-5分别与激光系统1-2、囚禁电磁场产生装置1-3以及探测装置1-4信号连接。
[0088]
上述离子阱系统的工作流程为：囚禁电磁场发生装置1-3打开时，在真空腔o中，本技术实施例提供的离子阱集成芯片100通电，离子阱集成芯片100内交变的射频电场和直流电场产生囚禁电磁场，该囚禁电磁场将离子(加热的原子外层电子被电离后形成)囚禁成离子链，电离后的离子被囚禁在离子阱集成芯片100上方几十微米处；激光系统16-2内的冷却光、泵浦光对离子进行冷却和量子初始化，使得离子达到特定的量子态；然后，对离子进行边带冷却，且通过控制系统16-5控制激光系统16-2内的操控光通过激光传输装置16-2-1对离子的量子态进行相干操作；操作完成后，由激光系统16-2发出的探测光和探测装置16-4对量子态进行操作结果的测量。
[0089]
另外，需要理解的是，在本技术的描述中，“第一”、“第二”、“第三”等词汇，仅用于区分描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性，也不能理解为指示或暗示顺序。在本说明书中描述的参考“一个实施例”或“一些实施例”等意味着在本技术的一个或多个实
施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此，在本说明书中的不同之处出现的语句“在一个实施例中”、“在一些实施例中”、“在其他一些实施例中”、“在另外一些实施例中”等不是必然都参考相同的实施例，而是意味着“一个或多个但不是所有的实施例”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“包括”、“包含”、“具有”及它们的变形都意味着“包括但不限于”，除非是以其他方式另外特别强调。
[0090]
以上，仅为本技术的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，基于本技术技术方案想到变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应以权利要求的保护范围为准。