结电极、离子阱芯片、结电极离子输运及电压优化方法与流程

本技术总体上涉及离子阱，更具体地，涉及一种用于离子阱的结电极、离子阱芯片和离子阱系统。本技术还涉及一种结电极输运离子的方法以及一种结电极的电压优化方法。

背景技术：

1、随着离子阱上离子输运和功能分区的发展，电极数量与结构变得更为复杂，离子的分离、合并、转弯等非直线输运频率越来越高。因此，结电极的设计与优化，以及与之相匹配的输运协议，对于离子完成快速、低加热率、高保真度的输运操作非常重要。结电极中的“结”是实现非直线输运的关键部位，可以用于连接不同线性囚禁区、实现离子二维扩展。然而在非直线输运过程中，在非直线路径上通常会产生很高的势垒，从而导致离子无法通过，或者即使离子通过，也会导致声子激发，从而造成量子信息的丢失。

2、已有研究通过优化电极图形，可以对结电极产生的供离子输运的赝势通道定制优化，但该方式计算复杂度高、优化迭代周期长、图形加工难度大，无法形成量产。

3、此外，也已有研究表明，实时改变交流电压可以实现全电学控制离子鞍点的移动，但其需要根据离子位置对交流电压进行调整，该方式对整个离子阱系统动态性能和控制要求都很高。

4、有鉴于此，如何提供一种电极结构简单且赝势通道的势垒较低甚至是没有势垒的结电极是本领域技术人员亟待解决的问题。

技术实现思路

1、为达上述目的，本技术提供了一种结电极，包括：多个子电极，多个子电极形成几何输运通道，几何输运通道至少包括非直线通道段和直线通道段；其中，邻近非直线通道段对应的至少部分子电极与其余直线通道段对应的子电极的交流电压可配置为不同，以降低非直线通道段对应的供离子输运的赝势通道的势垒。

2、可选地，非直线通道段包括：弧形通道段、弯折通道段中的至少一种。

3、可选地，邻近非直线通道段对应的至少部分子电极与其余直线通道段对应的子电极施加的交流电压的频率和相位相同、幅度不同。

4、可选地，多个子电极分为两组，且两组子电极相对且间隔设置以形成几何输运通道。

5、可选地，两组子电极以几何输运通道的中心线为对称轴对称设置，且相对设置的两个子电极的交流电压的频率、相位和幅度均相同。

6、可选地，邻近非直线通道段对应的至少部分子电极包括凸起部，凸起部朝向几何输运通道的中线设置或朝向几何输运通道的拐点设置。

7、可选地，邻近非直线通道段对应的子电极的交流电压可调。

8、本技术还提供一种结电极，包括：多个子电极，多个子电极形成几何输运通道；几何输运通道可形成至少三条几何输运路径，且至少三条几何输运路径之间形成至少一个交叉点；以及邻近交叉点对应的子电极的交流电压配置为可调。

9、可选地，不同的几何输运路径邻近交叉点对应的至少部分子电极的交流电压不同。

10、可选地，邻近交叉点对应的至少部分子电极的交流电压可根据选用的几何输运路径调节。

11、可选地，邻近交叉点对应的至少部分子电极与其余子电极的交流电压的频率和相位均相同；以及邻近交叉点对应的至少部分子电极的交流电压的幅度可根据选用的几何输运路径调节。

12、可选地，邻近交叉点对应的至少部分子电极包括凸起部，凸起部朝向交叉点设置。

13、可选地，几何输运通道靠近交叉点处设置有辅助子电极。

14、可选地，当选用的几何输运路径为非直线路径时，非直线路径分为非直线路径段和直线路径段；以及邻近交叉点的非直线路径段对应的至少部分子电极的交流电压配置为与其余直线路径段对应的子电极的交流电压不同。

15、可选地，多个子电极分为两组，且两组子电极相对且间隔设置以形成几何输运通道。

16、可选地，两组子电极以几何输运通道的中心线为对称轴对称设置，且相对设置的两个子电极的交流电压的频率、相位和幅度均相同。

17、可选地，多个子电极可被配置为施加直流电压。

18、可选地，该结电极，还包括：多个直流电极；其中，多个直流电极至少位于几何输运通道中；或者多个直流电极至少位于子电极的两侧。

19、本技术还提供一种离子阱芯片，其包括前述任一种结电极。

20、本技术还提供一种离子阱系统，其包括前述离子阱芯片。

21、本技术还提供一种利用前述结电极输运离子的方法，包括：确定当前需要使用的几何输运路径；根据当前需要使用的几何输运路径确定对应的当前需要使用的子电极；为当前需要使用的子电极加载已优化的交流电压以形成供离子输运的赝势通道；以及为当前需要使用的子电极施加直流电压，以控制离子在赝势通道中运动。

22、本技术还提供一种利用前述结电极输运离子的方法，包括：确定当前需要使用的几何输运路径；根据当前需要使用的几何输运路径确定对应的当前需要使用的子电极及其对应的已优化的交流电压；为当前需要使用的子电极加载已优化的交流电压以形成供离子输运的赝势通道；以及为当前需要使用的子电极对应的直流电极施加直流电压，以控制离子在赝势通道中运动。

23、本技术还提供一种结电极的电压优化方法，包括：a.确定目标函数；b.为每个子电极加载初始交流电压v0；c.计算在加载电压下目标函数的值；d.为每个子电极加载一组试探交流电压vi，并计算新的电场分布及目标函数值；e.如果该组试探交流电压vi产生的目标函数值的绝对值低于上一组交流电压计算得到的目标函数值，则保留本组试探交流电压；如果该组试探交流电压vi产生的目标函数值的绝对值高于上一组交流电压计算得到的目标函数值，则保留上一组交流电压；以及f.重复步骤d、e，直到目标函数的绝对值小于预设值p1，或连续p轮目标函数值的变化量的绝对值小于预设值p2，则停止；将最后保留的一组交流电压vi作为已优化的交流电压。

24、可选地，交流电压的变换通过遗传算法或蚁群算法得到每一组的试探交流电压vi。

25、与现有技术相比，本技术所提供的结电极具有以下有益效果：

26、(1)与基于电极图形优化实现结区势垒降低的结电极相比，本技术所提供的结电极包括多个子电极，多个子电极按序排布以形成带有非直线通道段的几何输运通道，该几何输运通道的走向和供离子输运的赝势通道的走势一致。多个子电极上施加交流电压，以产生供离子输运的赝势通道，在邻近非直线通道段对应的至少部分子电极和其余直线通道段对应的子电极的交流电压可以配置为不同，以便可以降低非直线通道段对应的赝势通道的势垒。如此设计，极大地降低了电极结构设计的复杂度，从而也降低了工艺难度；同时，由于尖锐电极的减少，也降低了尖端放电等效应，降低了结电极电击穿等损伤的概率；

27、(2)与基于离子位置对交流电压进行实时调整的方法相比，本技术所提供的结电极被分成多个子电极，并引入多个独立交流电压，以对非直线通道段的赝势通道的势垒进行单独设定，以实现确定的势场分布，以形成固定的势垒较低甚至是没有势垒的赝势通道。该设计也不需要交流电压快速随时间、随离子位置变化，降低了离子输运操作的复杂度；同时，固定的交流电压施加方案也减小了由于交流电压/功率变化导致结区温度漂移而引起的电极电容、交流谐振频率变化，因此系统稳定性好；以及

28、(3)本技术所提供的结电极所需要的独立控制的子电极仅在邻近非几何通道段，因此电路构造简单，易于在实验中或产品中实现。