高性能低温恒温器在量子计算中的应用

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：

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