离子阱及离子束缚方法

本申请涉及离子阱技术领域，尤其涉及一种离子阱及离子束缚方法。

背景技术：

离子阱技术是从20世纪50年代发展起来的一项实验技术。离子阱技术自诞生以来，在原子分子光谱、量子信息领域、量子光学领域、原子钟领域等都发挥出了巨大的作用，在此基础上发展出了很多重要的技术。特别的，离子阱平台是被认为最有希望发展出商业通用量子计算机的平台之一。

现有的离子阱技术，对单离子操控困难，影响通用量子计算机的可扩展性。是目前离子阱量子信息实验的重要瓶颈。因此如何实现可任意操控离子实现量子计算是本领域技术人员目前需要解决的问题。

技术实现要素：

本申请的主要目的在于提供一种离子阱及离子束缚方法，可任意操控离子。

为实现上述目的，本申请实施例第一方面提供一种离子阱，包括：

磁场发生装置、光场发生装置和可变电场发生装置；

磁场发生装置，用于产生约束磁场；

光场发生装置，用于产生形状可变的光场；

可变电场发生装置，用于通过所述光场，利用光伏效应，产生可变约束电场，所述可变约束电场的电势分布与所述分布的形状一致，以通过所述约束磁场和所述可变约束电场分别操控每个离子。

可选的，所述可变电场发生装置包括：

基板、导电层、电荷传输层和光伏层；

所述基板上依次镀有所述导电层、电荷传输层和光伏层；

所述导电层，用于使所述可变电场发生装置通过所述导电层接地，导出所述光伏层所产生的电荷；

所述电荷传输层，用于传输所述光伏层产生的电子或空穴；

所述光伏层，用于当所述光场的光照射到所述光伏层时，产生所述可变约束电场。

可选的，所述离子阱还包括：

恒定电场发生装置，用于产生与所述可变约束电场方向相反的恒定约束电场，以通过所述约束磁场、所述恒定约束电场以及所述可变约束电场操控分别操控每个离子。

可选的，所述离子阱还包括成像装置，所述成像装置的视窗朝向离子束缚区域。

可选的，所述光场通过所述成像装置的视窗照射到所述可变电场发生装置上。

可选的，所述离子阱还包括真空腔体，所述成像装置、磁场发生装置、所述可变电场发生装置、所述恒定电场发生装置均固定于所述真空腔体内。

可选的，当所述磁场发生装置为两个永磁铁时，则所述离子阱还包括支架，所述两个永磁铁固定于所述支架内。

可选的，所述光场发生装置为空间光调制器或数字微反射镜阵列或可变性反射镜或电控振镜。

本申请实施例第二方面提供一种离子束缚方法，包括：

产生约束磁场；

产生形状可变的光场；

通过所述光场，利用光伏效应，产生可变约束电场，所述可变约束电场的形状与所述光场的形状一致，以通过所述约束磁场和所述可变约束电场操控分别操控每个离子。

可选的，所述方法还包括：

产生与所述可变约束电场方向相反的恒定约束电场，以通过所述约束磁场、所述恒定约束电场以及所述可变约束电场分别操控每个离子。

从上述本申请实施例可知，本申请提供的离子阱及离子束缚方法，通过光场发生装置产生形状可变的光场，使可变电场发生装置利用光伏效应，产生与所述光场的形状一致的可变约束电场，从而通过磁场发生装置产生的约束磁场和该可变的约束电场形成不同的离子束缚区域，分别束缚和操控每个离子。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请一实施例提供的离子阱的示意图；

图2为本申请一实施例提供的离子阱的结构示意图；

图3为本申请一实施例提供的离子阱的结构示意图；

图4为本申请一实施例提供的离子束缚方法的流程示意图。

具体实施方式

为使得本申请的申请目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而非全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

请参阅图1，图1为本申请一实施例提供的离子阱的示意图，该装置主要包括：

磁场发生装置10、光场发生装置20和可变电场发生装置30；

磁场发生装置10，用于产生约束磁场；

光场发生装置20，用于产生形状可变的光场；

可变电场发生装置30，用于通过该光场，利用光伏效应，产生可变约束电场，该可变约束电场的电势分布与该光场分布一致，以通过该约束磁场和该可变约束电场操控每个离子。

其中，磁场发生装置10可以是永磁铁、通电线圈、超导磁体等。可理解的，图1中以永磁铁为例进行示意。

光场发生装置20可以是空间光调制器、数字微反射镜阵列等。

可变电场发生装置30可以是能产生光伏效应的物体，能产生光伏效应的材料例如杂化钙钛矿材料及纯无机钙钛矿材料(arx3，其中a＝cs、ch3nh3、hc(nh2)2，b＝pb、sn，x＝i、br、cl)、氮化镓、砷化镓、硫化镉、碲化镉、非晶硅、铜铟镓硒、纳米晶体、有机半导体等的任意一种或多种。

在本申请实施例中，通过光场发生装置20产生形状可变的光场，使可变电场发生装置30利用光伏效应，产生与该光场的形状一致的可变约束电场，从而通过磁场发生装置10产生的约束磁场和该可变的约束电场形成不同的离子束缚区域，分别束缚和操控每个离子。

在本申请其中一个实施例中，可变电场发生装置30包括：基板、导电层、电荷传输层和光伏层；

基板上依次镀有导电层、电荷传输层和光伏层；导电层，用于使该可变电场发生装置30通过该导电层接地，导出所述光伏层所产生的电荷；电荷传输层，用于传输该光伏层产生的电子或空穴；

光伏层，用于当该光场的光照射到该光伏层时，产生该可变约束电场。

更多的，当通过可见光波段光场照射到光伏层时，可以在光照区域产生大约为1v的电势。

其中，可变电场发生装置30的接收光波段为可见光波段，离子阱实验中会使用与离子电子量子态共振的激光来操控量子态，通过调整芯片接收光，与量子态操控和读出激光同波段以进行区分。

导电层的材料例如氧化铟锡、金属及金属纳米线、石墨烯、高导电性聚合物等的一种或多种；电荷传输层具体包括电子传输层和空穴传输层，其中电子传输层的材料例如tio2、sno2、c60及其衍生物等的一种或多种。空穴传输层的材料例如nio、pedot：pss、poly-tpd、pvk等的一种或多种；光伏层的材料例如，杂化钙钛矿材料及纯无机钙钛矿材料(abx3，其中a＝cs、ch3nh3、hc(nh2)2，b＝pb、sn，x＝i、br、cl)、氮化镓、砷化镓、硫化镉、碲化镉、非晶硅、铜铟镓硒，纳米晶体、有机半导体等中的一种或多种。

在本申请其中一个实施例中，请参阅图2，该离子阱还包括：

恒定电场发生装置40，用于产生与该可变约束电场方向相反的恒定约束电场，以通过该约束磁场、该恒定约束电场以及该可变约束电场分别操控每个离子或形成不同的离子束缚区域。

在本实施例中，通过光场发生装置20产生形状可变的光场，使可变电场发生装置30利用光伏效应，产生与该光场的形状一致的可变约束电场，再通过恒定电场发生装置40产生恒定约束电场，从而实时通过磁场发生装置10产生的约束磁场、该可变的约束电场以及该恒定约束电场形成不同的离子束缚区域，分别束缚和操控每个离子。

在本申请其中一个实施例中，请参阅图3，该离子阱还包括成像装置50，该成像装置50的视窗朝向离子束缚区域。

在视窗外，可以装配成像透镜组利用ccd、pmt、snspd等设备经行光子收集，提高了荧光光子收集效率和信噪比。

其中，成像装置50的视窗为超高真空光学视窗，可以最大程度的增大成像的数值孔径，提高离子荧光读出的效率和信噪比。

在本申请其中一个实施例中，该光场通过成像装置50的视窗照射到该可变电场发生装置30上。

在本申请其中一个实施例中，该离子阱还包括真空腔体，成像装置50、磁场发生装置10、可变电场发生装置30、恒定电场发生装置40固定于该真空腔体内。

更多的，光场发生装置20置于真空腔体外。

其中，该真空腔体的真空度可达10^-11mbar，为离子阱提供所需的超高真空背景。

在本申请其中一个实施例中，当该磁场发生装置10为两个永磁铁时，则该离子阱还包括支架，该两个永磁铁固定于该支架内。

可理解的，支架可维持两块永磁铁的相对位置，为永磁铁的提供有效的固定支撑，避免两块永磁铁因排斥力而增大间距，影响离子的束缚于操控。其中，保持两块永磁铁之间的间距为4mm，即两块永磁铁提供的约束磁场为0.5t左右。更多的，如图1所示，还可再支架上预留离子操控所需激光通光孔，满足激光操控的离子量子态的需求，以及预留将成像装置50固定在支架上的固定孔，使成像装置50的视窗更加靠近离子束缚区域，以获得更大的成像数值孔径，还可将可变电场发生装置30装配在支架上。

在本申请其中一个实施例中，该光场发生装置20为空间光调制器或数字微反射镜阵列或可变性反射镜或电控振镜。利用光场发生装置20产生形状可变的光场来激发可变电场发生装30置产生束缚离子所需的电场，完成对每个离子的束缚和操控。

请参阅图4，图4为本申请一实施例提供的离子束缚方法的流程示意图，可应用图1所示的离子阱来实现，该方法主要包括：

s101、产生约束磁场；

s102、产生形状可变的光场；

s103、通过该光场，利用光伏效应，产生可变约束电场，该可变约束电场的形状与该光场的形状一致，以通过该约束磁场和该可变约束电场操控该离子。

在步骤s101中，产生束缚电场的可以是磁场发生装置，磁场发生装置例如永磁铁、通电线圈、超导磁体等。

在步骤s102中，产生光场的可以是光场发生装置，光场发生装置例如空间光调制器、数字微反射镜阵列等。

在步骤s103中，利用光伏效应，产生可变约束电场的可以是包含光伏材料的可变电场发生装置，光伏材料例如杂化钙钛矿材料及纯无机钙钛矿材料(abx3，其中a＝cs、ch3nh3、hc(nh2)2，b＝pb、sn，x＝i、br、cl)、氮化镓、砷化镓、硫化镉、碲化镉、非晶硅、铜铟镓硒、纳米晶体、有机半导体等的一种或多种。

在本申请实施例中，产生离子所需的约束磁场，产生形状可变的光场，利用光伏效应，产生与该光场的形状一致的可变约束电场，从而通过约束磁场和该可变的约束电场形成不同的离子束缚区域，分别束缚和操控每个离子。

在本申请其中一个实施例中，该方法还包括：

产生与该可变约束电场方向相反的恒定约束电场，以通过该约束磁场、该恒定约束电场以及该可变约束电场分别操控每个离子。

其中，产生恒定约束电场的可以是恒定电极。

在本实施例中，产生形状可变的光场，利用光伏效应，产生与该光场的形状一致的可变约束电场，再产生恒定约束电场，从而实时通过约束磁场、该可变的约束电场以及该恒定约束电场形成不同的离子束缚区域，分别束缚和操控每个离子。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

以上为对本申请所提供的离子阱及离子束缚方法的描述，对于本领域的技术人员，依据本申请实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。