实现离子阵列的方法、装置、计算机存储介质及终端

本文涉及但不限于离子阱技术，尤指一种实现离子阵列的方法、装置、计算机存储介质及终端。

背景技术：

保罗离子阱(paultrap，也称作四极离子阱)是一种利用射频电场和静电场将离子稳定地约束在给定空间区域的技术，在量子计算、量子模拟、量子信息和精密测量等领域有着广泛而重要的应用。

目前，囚禁一维离子链的技术已较为成熟，一维离子阵列的离子阱，在常温环境下已可稳定囚禁几十个离子，低温环境下也可稳定囚禁一百个以上离子。为了进一步增加在量子计算、量子模拟、量子信息领域应用中的量子比特数，或提高精密测量时的测量精度，需要使用包括二维、三维在内的高维离子阵列，在离子阱中稳定地囚禁成百上千的离子。

对于高维离子阵列，在常温下的离子阱，高维离子阵列存在稳定性较差的问题，在受到环境中背景气体分子的碰撞时容易发生离子位置交换或整体构型变化，不利于进行量子计算、量子模拟等应用。由于一维离子阵列发生离子位置交换或整体构型变化的稳定性问题不显著，技术人员一般基于经验设置一个固定的较低的温度(例如、4开尔文即可)即可通过低温离子阱实现更多离子的囚禁。因为容易发生离子位置交换或整体构型变化，如何实现低温环境下获得稳定的高维离子阵列，成为一个有待解决的问题。

技术实现要素：

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。

本发明实施例提供一种实现离子阵列的方法、装置、计算机存储介质及终端，能够实现在低温环境下获得稳定的高维离子阵列。

本发明实施例提供了一种实现离子阵列的方法，包括：

确定高维离子阵列随温度发生离子交换或整体构型变化的概率信息；

根据确定的概率信息，获取一个小于预设阈值的概率对应的温度值；

根据获取的温度值确定离子阱工作的环境温度，以使离子阱在确定的工作的环境温度获得高维离子阵列。

在一种示例性实例中，所述确定高维离子阵列随温度发生离子交换或整体构型变化的概率信息，包括：

根据所述高维离子阵列发生所述离子交换或所述整体构型变化的势垒高度与发生所述离子交换或所述整体构型变化的温度，计算所述概率信息。

在一种示例性实例中，所述确定高维离子阵列随温度发生离子交换或整体构型变化的概率信息之前，所述方法还包括：

通过对所述高维离子阵列运动的数值仿真，确定所述势垒高度δe。

在一种示例性实例中，所述获取一个小于预设阈值的概率对应的温度值，包括：

从所述小于预设阈值的概率对应的温度值中，选择最高的一个作为所述温度值；或者，

从所述小于预设阈值的概率对应的温度值中，在预设范围内随机选择一个作为所述温度值。

在一种示例性实例中，所述概率信息p基于以下公式计算获得：

其中，kb是玻尔兹曼常数，kb≈1.381×10^-23焦/开尔文；δe是发生离子交换或整体构型变化的势垒高度；t表示所述发生所述离子交换或所述整体构型变化的温度。

在一种示例性实例中，所述势垒高度δe的近似公式为：

其中，m为所述高维离子阵列中的离子的质量，m是引起所述高维离子阵列中的离子发生碰撞的背景气体分子的质量，kc是库伦常数，kc≈9.0×10⁹库仑平方分之牛顿乘米平方n·m²/c²是库仑常数，ωs是所述高维离子阵列频率最低的振动模式的角频率。

在一种示例性实例中，所述高维离子阵列，包括：

二维离子阵列、和/或三维离子阵列。

另一方面，本发明实施例还提供一种计算机存储介质，所述计算机存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述实现离子阵列的方法。

再一方面，本发明实施例还提供一种终端，包括：存储器和处理器，所述存储器中保存有计算机程序；其中，

处理器被配置为执行存储器中的计算机程序；

所述计算机程序被所述处理器执行时实现如上述实现离子阵列的方法。

还一方面，本发明实施例还提供一种实现离子阵列的装置，包括：确定概率单元、确定温度单元和处理单元；其中，

确定概率单元设置为：确定高维离子阵列随温度发生离子交换或整体构型变化的概率信息；

确定温度单元设置为：根据确定的概率信息，获取一个小于预设阈值的概率对应的温度值；

处理单元设置为：根据获取的温度值确定离子阱工作的环境温度，以使离子阱在确定的工作的环境温度获得高维离子阵列。

在一种示例性实例中，所述确定概率单元是设置为：

根据所述高维离子阵列发生所述离子交换或所述整体构型变化的势垒高度与发生所述离子交换或所述整体构型变化的温度，计算所述概率信息。

在一种示例性实例中，所述确定温度单元是设置为：

从所述小于预设阈值的概率对应的温度值中，选择最高的一个作为所述温度值；或者，

从所述小于预设阈值的概率对应的温度值中，在预设范围内随机选择一个作为所述温度值。

本申请包括：确定高维离子阵列随温度发生离子交换或整体构型变化的概率信息；根据确定的概率信息，获取一个小于预设阈值的概率对应的温度值；根据获取的温度值确定离子阱工作的环境温度，以使离子阱在确定的工作的环境温度获得高维离子阵列。本发明实施例通过确定高维离子阵列随温度发生离子交换或整体构型变化的概率小于预设阈值的温度，在低温环境下获得了结构稳定的高维离子阵列，为离子阵列的进一步应用提供了技术支持。

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

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，与本申请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。

图1为本发明实施例实现离子阵列的方法的流程图；

图2为本发明实施例概率信息的示意图；

图3为本发明实施例高维离子阵列的示意图；

图4为本发明实施例数值仿真输出的结果图；

图5为本发明实施例实现离子阵列的装置的结构框图；

图6为本发明实施例实现三维离子阵列的装置的示意图；

图7为本发明实施例实现二维离子阵列的装置的示意图。

具体实施方式

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，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

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。

图1为本发明实施例实现离子阵列的方法的流程图，如图1所示，包括：

步骤101、确定高维离子阵列随温度发生离子交换或整体构型变化的概率信息；

在一种示例性实例中，本发明实施例确定高维离子阵列随温度发生离子交换或整体构型变化的概率信息，包括：

根据高维离子阵列发生离子交换或整体构型变化的势垒高度与发生离子交换或整体构型变化的温度，计算概率信息。

在一种示例性实例中，本发明实施例中的概率信息p基于以下公式计算获得：

其中，kb是玻尔兹曼常数，kb≈1.381×10^-23焦/开尔文；δe是发生离子交换或整体构型变化的势垒高度；t表示发生离子交换或整体构型变化的温度。

图2为本发明实施例概率信息的示意图，如图2所示，发生离子交换或整体构型变化的概率p随环境温度t的降低而呈现减小的变化趋势，变化趋势符合

在一种示例性实例中，本发明实施例中的高维离子阵列，包括：

二维离子阵列、和/或三维离子阵列。

步骤102、根据确定的概率信息，获取一个小于预设阈值的概率对应的温度值；

在一种示例性实例中，本发明实施例获取一个小于预设阈值的概率对应的温度值，包括：

从小于预设阈值的概率对应的温度值中，选择最高的一个作为温度值；或者，

从小于预设阈值的概率对应的温度值中，在预设范围内随机选择一个作为温度值。

步骤103、根据获取的温度值确定离子阱工作的环境温度，以使离子阱在确定的工作的环境温度获得高维离子阵列。

需要说明的是，理论上在预设范围内温度值越小，获得的高维离子阵列中的稳定性越高，阵列中可以容纳的离子数越多，当低于预设范围时，虽然获得的高维离子阵列的稳定性也会相应提高，但阵列中所能容纳的离子数也会增多，但所需要的温控成本将大大升高，因此，选择小于预设阈值的概率对应的温度值中合理的一个作为温度值，可以在符合应用环境条件下实现稳定的高维离子阵列。

在一种示例性实例中，本发明实施例中的离子阱包括：用于囚禁高维离子阵列的装置。

本申请包括：确定高维离子阵列随温度发生离子交换或整体构型变化的概率信息；根据确定的概率信息，获取一个小于预设阈值的概率对应的温度值；根据获取的温度值确定离子阱工作的环境温度，以使离子阱在确定的工作的环境温度获得高维离子阵列。本发明实施例通过确定高维离子阵列随温度发生离子交换或整体构型变化的概率小于预设阈值的温度，在低温环境下获得了结构稳定的高维离子阵列，为离子阵列的进一步应用提供了技术支持。

在一种示例性实例中，确定高维离子阵列随温度发生离子交换或整体构型变化的概率信息之前，本发明实施例方法还包括：

通过对高维离子阵列运动的数值仿真，确定势垒高度δe。

图3为本发明实施例高维离子阵列的示意图，如图3所示，通过数值仿真可以确定高维离子阵列的运动；以镱-171离子为例，考虑离子阱中50个镱-171离子组成的三维离子阵列，离子阱约束势场的强度由3个空间方向简谐振动的角频率ωx＝2π×0.98兆赫兹(mhz)，ωy＝2π×1.00mhz，ωz＝2π×1.02mhz表示。利用本领域技术人员公知的相关原理可以计算高维离子阵列的平衡位置和集体振动模式；图4为本发明实施例数值仿真输出的结果图，如图4所示，随机选取一个离子与背景气体分子发生大小、方向随机的碰撞，通过数值仿真计算出高维离子阵列的后续运动过程，并判断高维离子阵列重新达到平衡时是否发生了离子交换或整体构型变化；对于发生了离子交换或整体构型变化的情况，可以计算运动过程中高维离子阵列的总势能变化的最大值δep。通过随机生成大量的碰撞过程、数值仿真计算高维离子阵列的后续运动，并计算发生离子交换或整体构型变化时的δep，可以获得表示数值仿真输出结果的分布函数。该分布函数中δep的最小值即为发生离子交换或整体构型变化的势垒高度δe。对于图3所示的镱离子的高维离子阵列，通过数值仿真可以确定势垒高度δe～kb×10k。选取环境温度为液氦温度(约4k)，可以显著降低发生离子交换或整体构型变化的概率，提高高维离子阵列的稳定性。

在一种示例性实例中，本发明实施例势垒高度δe的近似公式为：

其中，m为高维离子阵列中的离子的质量，m是引起高维离子阵列中的离子发生碰撞的背景气体分子的质量，kc是库伦常数，kc≈9.0×10⁹库仑平方分之牛顿乘米平方(n·m²/c²)是库仑常数，ωs是高维离子阵列频率最低的振动模式的角频率。

在一种示例性实例中，预设阈值可以由本领域技术人员根据高维离子阵列的应用场景进行设置，例如、在量子模拟应用中，预设阈值可以是10^-4，在量子模拟应用中，预设阈值可以是10^-6。

图5为本发明实施例实现离子阵列的装置的结构框图，如图5所示，包括：确定概率单元、确定温度单元和处理单元；其中，

确定概率单元设置为：确定高维离子阵列随温度发生离子交换或整体构型变化的概率信息；

确定温度单元设置为：根据确定的概率信息，获取一个小于预设阈值的概率对应的温度值；

处理单元设置为：根据获取的温度值确定离子阱工作的环境温度，以使离子阱在确定的工作的环境温度获得高维离子阵列。

在一种示例性实例中，本发明实施例中的离子阱包括：用于囚禁高维离子阵列的装置。

在一种示例性实例中，本发明实施例中的高维离子阵列，包括：

二维离子阵列、和/或三维离子阵列。

在一种示例性实例中，本发明实施例确定概率单元是设置为：

根据高维离子阵列发生离子交换或整体构型变化的势垒高度与发生离子交换或整体构型变化的温度，计算概率信息。

在一种示例性实例中，本发明实施例中的概率信息p基于以下公式计算获得：

其中，kb是玻尔兹曼常数，kb≈1.381×10^-23焦/开尔文；δe是发生离子交换或整体构型变化的势垒高度，t表示发生离子交换或整体构型变化的温度。

在一种示例性实例中，本发明实施例装置还包括仿真单元，设置为：

通过对高维离子阵列运动的数值仿真，确定势垒高度δe。

在一种示例性实例中，本发明实施例势垒高度δe的近似公式为：

其中，m为高维离子阵列中的离子的质量，m是引起高维离子阵列中的离子发生碰撞的背景气体分子的质量，kc是库伦常数，kc≈9.0×10⁹n·m²/c²是库仑常数，ωs是高维离子阵列频率最低的振动模式的角频率。

在一种示例性实例中，预设阈值可以由本领域技术人员根据高维离子阵列的应用场景进行设置，例如、在量子模拟应用中，预设阈值可以是10^-4，在量子模拟应用中，预设阈值可以是10^-6。

在一种示例性实例中，本发明实施例确定温度单元设置为：

从小于预设阈值的概率对应的温度值中，选择最高的一个作为温度值；或者，

从小于预设阈值的概率对应的温度值中，在预设范围内随机选择一个作为温度值。

图6为本发明实施例实现三维离子阵列的装置的示意图，如图6所示，将用于产生高维离子阵列的直流电极和射频电极置于低温环境中，通过外部的致冷装置达到所需的低温，利用刀片阱得到低温环境中的三维离子阵列。图7为本发明实施例实现二维离子阵列的装置的示意图，如图7所示，将用于产生高维离子阵列的直流电极和射频电极置于低温环境中，通过外部的致冷装置达到所需的低温，利用芯片阱得到低温环境中的二维离子阵列。需要说明的是，上述示例仅用于陈述本发明实施例，本发明实施例不限于特定的离子阱结构，也不限于特定的离子阵列，除了刀片阱、芯片阱外也可采用三维一体化离子阱等其他常见的离子阱结构，在任意一种离子阱结构下都可采用二维或三维离子阵列。

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。