RF离子阱中量子计算检测方案(低温恒温器)

Quantum DesignCHINA 高性能低温恒温器在量子计算中的应用 背景介绍 量子计算有望令自然界模拟、虚拟量子实验、量子密码学、数据通信系统、新型药物探索和设计等诸多领域取得重大突破。这些令人兴奋的量子计算前沿研究依赖于量子物理的两个很重要的基本物理特征，即叠加态与量子干涉。众所周知，经典计算机采用值是0或1的“双态"比特来进行计算。比特与逻辑运算(门)一起组成了现代计算机系统的所有运算。在量子计算中信息的基本单元我们称之为量子比特 (qubit)， 与经典比特一样，量子比特的值可以是0或1，不同的是量子比特的值可以同时取0和1，这一特性被称为叠加态。另外，量子比特有一个相位，这个相位的相干效应正是在量子密码学中广泛应用的 Shor 算法和Grover 算法的量子计算基础。 为了实现可扩展珀量子计算，人们对多种方案进行了探索。目前被认为最有希望的两个方案是离子阱和超导环。下面我们简单讨论实验所需的装置以及面临的挑战。与此同时，我们也将简单了解 Montana Instruments 公司开发的低温恒温器 CryostationQ系列如何帮助科研人员扫除实验障碍，快速实现量子计算实验研究。 实验研究 量子计算相关实验的常见挑战 样品环境被破坏，例如震动会将部分能量专递给量子比特从而破坏量子环境。 对真空要求苛刻，离子阱实验需要高真空环境减少外界分子对势势离子的碰撞。 需要稳定低温环境，因为热扰动可以破坏量子计算。 激光源的能量波动与射频源的不稳定会对量子计算造成扰动。 波动的外磁场干扰会造成原子跃迁(塞曼效应)。 优化量子计算实验的一些关键因素 为了减少一切不必要的量子态激发，高真空、稳定的机械结构、稳定的温度环境是非常必要的。此外，较好的光学引入(近工作距离，高数值孔径)对于空间分辨激发以及超高效率荧光接收也是非常重要的。 关键因素 超低震动 为了阻止震动能量传递给量子比特，防止系 统量子态的破坏，稳定的机械结构是必须 的。 超低震动(<5nm，可升级至<1nm的系统)提 供稳定的实验环境，保护量子比特不受扰动。 稳定的低温环境，，<4K <4K 的低温环境可以有效的保护量子比特免受热扰动。低温环境还可以起到"冷泵”的 作用，可以达到 10-7Torr 的真空水平防止 分子、!原子对势阱离子的碰撞。 CryostationQ系统可轻松实现<4K 的低温，温度稳定性生于10mK。智能控制软件实现- 键化操作。 近工作距离 近工作距离(WD)与大数值孔径(NA)可 以实现非常小区域的聚焦，可以对单个囚禁 离子进行激发。高效率的荧光收集能力可以对量子比特进行读出。 1mm WD 物镜(0.9NA)，可以很方便的集成在 CryostationQ系统上。对物镜进行稳定的 温度控制，避免位置热漂移，可以实现长时 间信号收集和最佳的光路准直与稳定。 光学引入 除了近工作距离与高数值孔径之外，还需要 其他的窗口用来进行激光烧蚀(产生离子)， 激光冷却(制造量子态)以及使离子保持光学活性态的再激发。 Cryostation@可以配备包括顶窗在内的4个 到7个窗口。大样品空间可以实现多个角度对样品的"操作。 电学引入 无论是超导环还是利用射频信号制造势阱，都需要多个电学通道。 CryostationQ除了具多条 DC 通道外还可以 通过集成面板添加同轴线实现高频信号(~20GHz))的低损耗传输。使用专为低温设 计的低热负载带状电缆使得样品腔在多通道的同时“井然有序。 高真空 分子或原子碰撞可以激发量子比特破坏量 子态，或者将囚禁离子直接撞出势阱，破坏 量子晶体。 CryostationQ的样品腔内置冷泵可以实现优 于1x10-7 torr 的高真空。分子泵选件可以实 现更好的真空。低温与高真空的组合提供了 一个非常稳定的环境，可以实现对囚禁离子 进行数星期或一个月的连续研究。 磁屏蔽 波动的磁场可以改变囚禁离子的电子能量 状态，从而会改变"门”操作所需要的激光频 我们的工程师团队可以帮助设计磁屏蔽来减 少电磁辐射，同时保证光学的灵活引入。 相关实验技术与配置 CryostationQ系统可为量子计算相关研究提供多种解决方案，丰富的可选配置与配件可以满足各种实验的需求，诸如离子阱、超导环、NV色心的高数值孔径荧光观测等。根据具体实验需求 Montana Instruments 可以为您提供最适合的配置方案，如有需要请联系我们。 量子计算实验案例： RF离子阱 配置方案：高数值孔径荧光读出、多光学通道用于激光制冷、RF+DC 电学通道用于制造囚禁势阱。 作为该实验方案的核心，离子阱量子计算包括N 个囚禁离子。离子可以被囚禁在泡利(RF)阱或彭宁(磁场)阱中，每个囚禁离子具有两个态或亚稳态。这里我们简单讨论泡利阱的情况，实验上泡利阱是通过在样品上印制一组具有特殊几何形状的 RF电极产生限制电势实现的。在设计好势阱后我们通过激光烧蚀衬底产生一个待囚禁的离子(常用137Yb+)，采用多普勒或 Sisyphus 冷却方案用激光将高度激发状态的离子冷却至量子态。最后再将离子导入精心设计的势阱中。 待离子进入势阱中，将他们在空间上隔开几微米的距离，每个离子代表一个量子比特。量子比特通过库伦相互作用影响量子比特的集体震荡来实现耦合。每一个量子比特都通过与库伦势的“平行”或“反平行"将自己的局部态编码进集体震动。这样每一个在一维链上的量子比特都实现了与其他每个量子比特的耦合。 量子计算的通用“门”操作 (CROT， SWAP 以及内部量子比特态的任意翻转)可以通过对量子比特光激发来实现。对于137YB+离子链，最佳波长为 355nm。激光源的稳定性尤为重要，激发频率与电子的共振频率要精确匹角(10KHz或更好)，以防止其他临近态的激发。紫外激光由于具有合适的波长与极佳的频率稳定性常被用于半导体材料的维纳加工，现在也成为量子计算的上佳选择。 量子比特在经过一系列量子算法的门操作后的量子态可以被读出。囚禁离子的量子态读出是通过测量与量子态相关的荧光实现的。目前的研究通常利用高数值孔径的显微镜可以实现10%左右的收集效率。未来的量子计算可能会通过集成光学微腔的方案来提高荧光光子的收集效率，预计可以大于50%。该集成技术也可以推动可拓展与重构的量子计算电路发展。 总的来说，设计和操纵一个可靠的离子阱量子计算机需要1、稳定的激光源与精准的频率控制。2、有效且控制良好的RF电势来定位与控制囚禁离子。3、数字控制的空间分辨率很高的脉冲激光来制备、测量、操纵量子比特。4、量子态的可靠探测与读出。 Montana Instruments 与科研人员共同设计的离子阱量子计算机 MI恒温器与集成式单光子探测器有望提高离子阱的量子态读出 REFERENCES 1. Johnson， K. G. et al. Active Stabilization of lon Trap Radiofrequency Potentials.Reviewof Scientific Instruments 87， 53110 (2016). 2. Brown， K. R.， Kim， J. & Monroe， C. Co-Designing a Scalable Quantum Computer withTrapped Atomic lons. npj Quantum Information 16034 (2016). 3. Debnath， S. et al. Demonstration of a small programmable quantum computer withatomic qubits. Nature 536， 63-66 (2016). 4. Steane， A. M. The lon Trap Quantum Information Processor. Applied Physics B： Lasersand Optics 64，623-643 (1997). 5. Faraz Najafi et al. On-chip detection of non-classical light by scalable integration ofsingle-photon detectors. Nat. commun，6：5873，2015 超精细多功能无液氦低温光学恒温器： https：//qd-china.com/zh/pro/detail/3/1912091051098 Cryostation®低温恒温器系统可为量子计算相关研究提供多种解决方案，丰富的可选配置与配件可以满足各种实验的需求，诸如离子阱、超导环、NV色心的高数值孔径荧光观测等。根据具体实验需求Montana Instruments可以提供最适合的配置方案。量子计算实验案例：RF离子阱配置方案：高数值孔径荧光读出、多光学通道用于激光制冷、RF+DC电学通道用于制造囚禁势阱。作为该实验方案的核心，离子阱量子计算包括N个囚禁离子。离子可以被囚禁在泡利（RF）阱或彭宁（磁场）阱中，每个囚禁离子具有两个态或亚稳态。这里我们简单讨论泡利阱的情况，实验上泡利阱是通过在样品上印制一组具有特殊几何形状的RF电极产生限制电势实现的。在设计好势阱后我们通过激光烧蚀衬底产生一个待囚禁的离子（常用137Yb+），采用多普勒或Sisyphus冷却方案用激光将高度激发状态的离子冷却至量子态。最后再将离子导入精心设计的势阱中。待离子进入势阱中，将他们在空间上隔开几微米的距离，每个离子代表一个量子比特。量子比特通过库伦相互作用影响量子比特的集体震荡来实现耦合。每一个量子比特都通过与库伦势的“平行”或“反平行”将自己的局部态编码进集体震动。这样每一个在一维链上的量子比特都实现了与其他每个量子比特的耦合。量子计算的通用“门”操作（CROT, SWAP以及内部量子比特态的任意翻转）可以通过对量子比特光激发来实现。对于137YB+离子链，最佳波长为355nm。激光源的稳定性尤为重要，激发频率与电子的共振频率要精确匹配（10KHz或更好），以防止其他临近态的激发。紫外激光由于具有合适的波长与极佳的频率稳定性常被用于半导体材料的维纳加工，现在也成为量子计算的上佳选择。量子比特在经过一系列量子算法的门操作后的量子态可以被读出。囚禁离子的量子态读出是通过测量与量子态相关的荧光实现的。目前的研究通常利用高数值孔径的显微镜可以实现10%左右的收集效率。未来的量子计算可能会通过集成光学微腔的方案来提高荧光光子的收集效率，预计可以大于50%。该集成技术也可以推动可拓展与重构的量子计算电路发展。总的来说，设计和操纵一个可靠的离子阱量子计算机需要：1、稳定的激光源与精准的频率控制。2、有效且控制良好的RF电势来定位与控制囚禁离子。3、数字控制的空间分辨率很高的脉冲激光来制备、测量、操纵量子比特。4、量子态的可靠探测与读出。Montana Instruments与科研人员共同设计的离子阱量子计算机MI恒温器与集成式单光子探测器有望提高离子阱的量子态读出参考文献：[1] ohnson, K. G. et al. Active Stabilization of Ion Trap Radiofrequency Potentials. Review of Scientific Instruments 87, 53110 (2016).[2] Brown, K. R., Kim, J. & Monroe, C. Co-Designing a Scalable Quantum Computer with Trapped Atomic Ions. npj Quantum Information 16034 (2016).[3] Debnath, S. et al. Demonstration of a small programmable quantum computer with atomic qubits. Nature 536, 63–66 (2016).[4] Steane, A. M. The Ion Trap Quantum Information Processor. Applied Physics B: Lasers and Optics 64, 623–643 (1997).[5] Faraz Najafi et al. On-chip detection of non-classical light by scalable integration of single-photon detectors. Nat. commun,6:5873, 2015