一种电磁感应透明冷却的方法及装置与流程

本文涉及但不限于离子阱技术，尤指一种电磁感应透明冷却的方法及装置。

背景技术：

1、离子阱量子计算与量子模拟需要在离子阱中稳定囚禁离子晶体，并在多离子晶体中将每个简正模的声子态冷却到其基态或接近基态，即要求第m个简正模的平均声子数乃至；要冷却离子晶体，最简单直接的方法是多普勒冷却（dopplercooling）方法，但多普勒冷却通常只能冷却到几个至几十个声子，无法将离子冷却到基态。为了实现基态冷却，通常被广泛选择的技术方式包括边带冷却（resolved sidebandcooling）、偏振梯度冷却（polarization gradient cooling）与电磁感应透明冷却（eitcooling）。

2、在相关技术中，技术人员借助拉曼跃迁来实施边带冷却；对单个离子，边带冷却能够将离子冷却到极低的声子数，理论上可以到达0声子态，但边带冷却的有效线宽很窄，通常不超过几十千赫兹，在大规模的离子晶体中，由于离子晶格的复杂性，本征振动频率众多；因此，要将每个模式都冷却到基态，需要不断调整边带冷却的频率，一个一个地冷却众多模式，极其低效。偏振梯度冷却受制于其理论限制，虽然能够突破多普勒冷却极限，但对于单离子最佳冷却极限仅为0.5个声子，多离子情况下甚至只能达到0.87个声子，其效果远差于边带冷却。电磁感应透明冷却技术是能够真正实现接近基态的宽带冷却方式；最早的电磁感应透明冷却理论限定在型三能级结构中，并在钙-40离子中得到了实验验证；钙-40离子的核自旋为0，因此利用其基态和第一激发态的各两个塞曼能级，配合偏振光，可以获得纯净的三能级系统，从而完美实施电磁感应透明冷却。对于更复杂的能级结构，例如具有1/2核自旋的镱-171离子，其基态和第一激发态各具有4个塞曼能级，因此更为复杂，直到近期才在实验中实现。电磁感应透明冷却技术能够实现宽频段的冷却，因此在大规模离子晶体中，电磁感应透明冷却技术能够直接同时冷却众多运动模式，而不必像边带冷却那样逐一进行冷却。但对于核自旋大于1/2的离子，如钡-137离子，由于更为复杂的能级结构，上述电磁感应透明冷却方案均不适用。

3、综上，对于核自旋大于0的离子量子比特，特别是核自旋大于1/2的离子种类，如何找到一种统一、有效的架构实现大规模离子晶体在宽频段的基态冷却，成为一个有待解决的问题，该问题严重制约了新型离子的使用与开发，阻碍了离子阱量子计算规模的提升，阻碍了离子阱量子计算的应用发展。

技术实现思路

1、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。

2、本发明实施例提供一种电磁感应透明冷却的方法及装置，能够实现大规模离子晶体在宽频段的基态冷却。

3、本发明实施例提供了一种电磁感应透明冷却的方法，包括：

4、在外加磁场下，对被囚禁在离子阱中的核自旋的离子，施加第一泵浦光、第二泵浦光、偏振激光和偏振激光；

5、其中，所述核自旋的离子的基态能级和激发态能级均具有超精细能级结构，原子的总角动量量子数；所述第一泵浦光，用于将所述基态能级的第一超精细能级耦合到激发态能级的第一超精细能级和/或第二超精细能级，所述第一超精细能级和所述第二超精细能级为所述超精细能级结构中两个不同的能级；所述基态能级的第一超精细能级和激发态能级的第一超精细能级具有相同的原子的总角动量量子数，所述基态能级的第二超精细能级和激发态能级的第二超精细能级具有相同的原子的总角动量量子数；所述偏振激光为电磁感应透明冷却eit的泵浦光，用于将所述基态能级的第二超精细能级耦合到激发态能级的第二超精细能级；所述偏振激光为eit的探测光，用于将所述基态能级的第二超精细能级耦合到激发态能级的第一超精细能级和/或第二超精细能级；所述第二泵浦光，用于将离子亚稳态能级与高激发态能级耦合，使得落入其中的布居数转移回到基态能级与激发态能级的循环；所述高激发态能级包括除所述基态能级和所述能级之外的其他能级，所述离子包括：除核自旋为1/2且第一超精细能级总角动量量子数小于第二超精细能级总角动量量子数时的离子。

6、另一方面，本发明实施例还提供一种电磁感应透明冷却的装置，包括：磁场单元、离子阱和激光单元；其中，

7、离子阱设置为：囚禁核自旋的离子；

8、磁场单元设置为：对被囚禁在离子阱中的核自旋的离子施加外加磁场；

9、激光单元设置为：对被囚禁在离子阱中的核自旋的离子，施加第一泵浦光、第二泵浦光、偏振激光和偏振激光；

10、其中，所述核自旋的离子的基态能级和激发态能级均具有超精细能级结构，原子的总角动量量子数；所述第一泵浦光，用于将所述基态能级的第一超精细能级耦合到激发态能级的第一超精细能级和/或第二超精细能级，所述第一超精细能级和所述第二超精细能级为所述超精细能级结构中两个不同的能级；所述基态能级的第一超精细能级和激发态能级的第一超精细能级具有相同的原子的总角动量量子数，所述基态能级的第二超精细能级和激发态能级的第二超精细能级具有相同的原子的总角动量量子数；所述偏振激光为电磁感应透明冷却eit的泵浦光，用于将所述基态能级的第二超精细能级耦合到激发态能级的第二超精细能级；所述偏振激光为eit的探测光，用于将所述基态能级的第二超精细能级耦合到激发态能级的第一超精细能级和/或第二超精细能级；所述第二泵浦光，用于将离子亚稳态能级与高激发态能级耦合，使得落入其中的布居数转移回到基态能级与激发态能级的循环；所述高激发态能级包括除所述基态能级和所述能级之外的其他能级，所述离子包括：除核自旋为1/2且第一超精细能级总角动量量子数小于第二超精细能级总角动量量子数时的离子。

11、本技术技术方案包括：在外加磁场下，对被囚禁在离子阱中的核自旋的离子，施加第一泵浦光、第二泵浦光、偏振激光和偏振激光；其中，所述核自旋的离子的基态能级和激发态能级均具有超精细能级结构，原子的总角动量量子数；所述第一泵浦光，用于将所述基态能级的第一超精细能级耦合到激发态能级的第一超精细能级和/或第二超精细能级，所述第一超精细能级和所述第二超精细能级为所述超精细能级结构中两个不同的能级；基态能级的第一超精细能级和激发态能级的第一超精细能级具有相同的原子的总角动量量子数，基态能级的第二超精细能级具有相同的原子的总角动量量子数；所述偏振激光为电磁感应透明冷却eit的泵浦光，用于将所述基态能级的第二超精细能级耦合到激发态能级的第二超精细能级；所述偏振激光为eit的探测光，用于将所述基态能级的第二超精细能级耦合到激发态能级的第一超精细能级和/或第二超精细能级；所述第二泵浦光，用于将离子亚稳态能级与高激发态能级耦合，使得落入其中的布居数转移回到基态能级与激发态能级的循环；所述高激发态能级包括除所述基态能级和所述能级之外的其他能级，所述离子包括：除核自旋为1/2且第一超精细能级总角动量量子数小于第二超精细能级总角动量量子数时的离子。本发明实施例实现了统一、通用的电磁感应透明冷却方法，实现了核自旋大于0的离子的基态冷却，能够获得兆赫兹量级的有效带宽，为大规模离子量子计算的实现提供了技术支撑。

12、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。