原子约束系统、原子约束方法及相关装置与流程

本技术涉及量子计算，尤其涉及原子约束系统、原子约束方法及相关装置。

背景技术：

1、随着量子技术的发展，量子计算和模拟领域以前所未有的速度增长。中性原子量子系统由于其相干时间长和可扩展性强等特点，被认为是实现量子计算的最有希望的途径之一。在中性原子的量子计算过程中，需要将部分原子从基态激发到激发态，以进行量子计算。基态的原子通过势阱(比如光阱、光晶格等)进行约束，而该势阱对激发态的原子起排斥作用；因此，在对基态原子进行激发处理和量子计算的过程中，一般会关闭势阱，以避免势阱对激发态原子的排斥。但是，关闭势阱会面临如下问题：在激发处理和量子计算过程中，由于约束势的缺失，激发态原子会逐渐偏离其原本位置，使得量子计算结果的准确性降低。

技术实现思路

1、为了解决上述的问题，本技术提供了一种原子约束系统、原子约束方法及相关装置，在对原子进行激发处理和量子计算过程中，不需要关闭原有势阱，解决了约束势缺失造成的激发态原子会逐渐偏离其原本位置的问题。

2、为此，本技术中采用如下技术方案：

3、第一方面，本技术提供了一种原子约束系统，该原子约束系统包括基态原子约束单元、激发态原子约束单元和原子操作单元。其中，基态原子约束单元，用于构建第一势阱；第一势阱表示将基态的原子约束于势阱位置的势阱。激发态原子约束单元，用于构建第二势阱；第二势阱表示将激发态的原子约束于势阱位置的势阱，第二势阱基于静电场形成，第二势阱在势阱位置的电场强度小于预设阈值。原子操作单元，用于装载基态原子，以使基态原子被第一势阱约束于势阱位置；以及，对基态原子进行激发处理，以得到激发态原子，激发态原子被第一势阱和第二势阱约束于势阱位置。

4、本技术中，为了避免激发态原子的约束势的缺失，在对激发态原子进行操作的过程(包括激活处理和量子操作等)中，持续打开第一势阱；通过静电场直接产生第二势阱，并调控第二势阱，使得在第一势阱对激发态原子存在斥力的情况下，也可以利用静电场形成的第二势阱对激发态原子进行约束。相比于通过调整激光波长约束激发态原子的技术，本技术可以通过静电场产生的第二势阱对激发态原子进行约束，避免了红失谐光阱技术的激光功率大、散热和温控性能要求高等问题，也避免了蓝失谐光阱技术的基态原子与激发态原子的势能不同造成的的退相干影响、进而量子线路深度有限的问题。可以利用基态原子的长相干时间与激发态原子的强相互作用，实现量子线路的加深。由于在量子线路中不必关闭第一势阱，可大大降低原子损失率，解决激发态原子在量子计算中量子线路深度不足的问题。

5、在一种可能的实现方式中，上述的激发态原子约束单元包括：电极结构，用于形成第二势阱；其中，电极结构包括多个电极，多个电极之间包括电场强度小于预设阈值的区域。

6、在该实现方式中，通过构建电极结构，可以实现多个电极之间包括电场强度小于预设阈值的区域，该区域与第一势阱的势阱位置重合，可以实现对激发原子的约束。

7、在一种可能的实现方式中，上述电极结构包括：第一电极结构，用于形成第二势阱；第一电极结构包括相对设置的第一电极和第二电极，第一电极和第二电极的级性均为正极，第一电极和第二电极之间形成第二势阱。

8、在该实现方式中，只需在一个维度上设置第一电极和第二电极，即可产生约束势。该实现方式无需复杂的电极结构，只需在一个维度上设置电极，即可产生囚禁势，最大程度保留了光阱中的光学介入性，降低了第二势阱的增加对第一势阱的不利影响。

9、在一种可能的实现方式中，上述电极结构包括：第二电极结构，用于形成第二势阱；第二电极结构包括相对的第三电极和第四电极，第三电极和第四电极的级性相同；第二电极结构还包括相对的第五电极和第六电极，第五电极和第六电极的级性相同；第三电极和第五电极的级性相反；其中，第三电极、第四电极、第五电极和第六电极之间形成第二势阱。

10、在该实现方式中，第二电极结构产生从四个电极中的正极至相邻负极的静电场。这样，提高了零电场点在垂直于两个正极电极的连线上的电场梯度，使得零电场点处的各个方向的电场梯度更均衡。这样，激发态原子在任何方向上的约束程度更均衡。

11、在一种可能的实现方式中，上述电极结构，包括：第三电极结构，用于形成第二势阱；第三电极结构包括相对的第一电极阵列和第二电极阵列，第一电极阵列包括相邻的第七电极和第八电极，第二电极阵列包括相邻的第九电极和第十电极，第七电极和第九电极相对设置，第八电极和第十电极相对设置，第七电极和第八电极的级性相反，第九电极和第十电极的级性相反，第七电极和第十电极的级性相同，第八电极和第九电极的级性相同；其中，第七电极、第八电极、第九电极和第十电极之间形成第二势阱。

12、在该实现方式中，通过设置相对的第一电极阵列和第二电极阵列，可以实现多个激发态原子的约束，从而适用于更复杂的场景。

13、在一种可能的实现方式中，上述系统还包括：约束势调整单元，用于调整第一势阱和/或第二势阱的参数，以使第一约束势与第二约束势相匹配；第一约束势表示第一势阱对基态原子的约束程度，第二约束势表示第一势阱和第二势阱共同对激发态原子的约束程度。

14、在该实现方式中，由于激发态原子的能级对电场极为灵敏，静电场可对激发态原子形成紧束缚，静电场产生的约束势远大于第一势阱产生的排斥势。通过调整第一势阱的参数，比如调控光阱的位置、大小和深度；或者，调整第二势阱的参数，比如静电场的电场强度、电场梯度等；可使得第一约束势与第二约束势相匹配，从而形成基态-激发态的魔术阱。第二约束势表示静电场对激发态原子的吸引势和第一势阱对激发态原子的排斥势的综合作用。由于魔术阱降低了激发态原子的原子损失，激发态原子可进行重复实验的次数将大大提升；例如在里德堡单光子源的应用中，这将大大提升单光子的产生速率。以及，可以利用基态原子的长相干时间与激发态原子的强相互作用，实现量子线路的加深；比如，由于在量子线路中不必关闭魔术阱，可大大降低原子损失率，解决里德堡量子计算中量子线路深度不足的问题。

15、在一种可能的实现方式中，上述激发态原子包括处于里德堡态的原子。

16、在该实现方式中，里德堡态泛指原子或分子系统的高激发态。与基态原子相比，处于里德堡态的原子的电子云有多个数量级的增大。

17、在一种可能的实现方式中，上述电场强度小于预设阈值的区域为第二势阱的零电场点，零电场点表示第二势阱中的电场强度为零的区域。

18、在该实现方式中，零电场点是电场强度小于预设阈值的区域的示例，但并不构成对本技术的限制。比如，还可以通过设置电极结构，实现电场出现的极小值区域，该极小值区域是电场强度小于预设阈值的区域的另一个示例。

19、在一种可能的实现方式中，上述第一势阱包括光阱和/或光晶格。

20、在该实现方式中，光阱是通过激光与原子偶极矩相互作用形成的势阱，比如上述的红失谐光阱和蓝失谐光阱。光晶格是通过激光干涉形成的周期性势阱结构，已成为冷原子物理和量子技术研究的核心平台。光阱和光晶格可以理解为本技术中的第一势阱的一个示例，第一势阱可以是任意的将基态的原子约束于势阱位置的势阱，本技术对此不进行限制。

21、第二方面，本技术提供了一种原子约束方法，包括：构建第一势阱；第一势阱表示将基态的原子约束于势阱位置的势阱；构建第二势阱；第二势阱表示将激发态的原子约束于势阱位置的势阱，第二势阱基于静电场形成，第二势阱在势阱位置的电场强度小于预设阈值；装载基态原子；基态原子被第一势阱约束于势阱位置；对基态原子进行激发处理，以得到激发态原子；激发态原子被第一势阱和第二势阱约束于势阱位置。

22、在一种可能的实现方式中，上述构建第二势阱，包括：设置电极结构，以形成第二势阱；其中，电极结构包括多个电极，多个电极之间包括电场强度小于预设阈值的区域。

23、在一种可能的实现方式中，上述设置电极结构，以形成第二势阱，包括：设置第一电极结构，以形成第二势阱；第一电极结构包括相对设置的第一电极和第二电极，第一电极和第二电极的级性均为正极，第一电极和第二电极之间形成第二势阱。

24、在一种可能的实现方式中，上述设置电极结构，以形成第二势阱，包括：设置第二电极结构，以形成第二势阱；第二电极结构包括相对的第三电极和第四电极，第三电极和第四电极的级性相同；第二电极结构还包括相对的第五电极和第六电极，第五电极和第六电极的级性相同；第三电极和第五电极的级性相反；其中，第三电极、第四电极、第五电极和第六电极之间形成第二势阱。

25、在一种可能的实现方式中，上述设置电极结构，以形成第二势阱，包括：设置第三电极结构，以形成第二势阱；第三电极结构包括相对的第一电极阵列和第二电极阵列，第一电极阵列包括相邻的第七电极和第八电极，第二电极阵列包括相邻的第九电极和第十电极，第七电极和第九电极相对设置，第八电极和第十电极相对设置，第七电极和第八电极的级性相反，第九电极和第十电极的级性相反，第七电极和第十电极的级性相同，第八电极和第九电极的级性相同；其中，第七电极、第八电极、第九电极和第十电极之间形成第二势阱。

26、在一种可能的实现方式中，上述方法还包括：调整第一势阱和/或第二势阱的参数，以使第一约束势与第二约束势相匹配；第一约束势表示第一势阱对基态原子的约束程度，第二约束势表示第一势阱和第二势阱共同对激发态原子的约束程度。

27、在一种可能的实现方式中，上述激发态原子包括处于里德堡态的原子。

28、在一种可能的实现方式中，电场强度小于预设阈值的区域为第二势阱的零电场点，零电场点表示第二势阱中的电场强度为零的区域。

29、在一种可能的实现方式中，上述第一势阱包括光阱和/或光晶格。

30、在一种可能的实现方式中，上述方法还包括：根据激发态原子，进行逻辑运算，以得到量子计算的结果。

31、第三方面，本技术提供了一种原子约束装置，主要包括：势阱构建模块，用于构建第一势阱。第一势阱表示将基态的原子约束于势阱位置的势阱。以及，势阱构建模块，用于构建第二势阱。第二势阱表示将激发态的原子约束于势阱位置的势阱。第二势阱基于静电场形成。第二势阱在势阱位置的电场强度小于预设阈值。原子操作模块，用于装载基态原子。基态原子被第一势阱约束于势阱位置。以及，原子操作模块，用于对基态原子进行激发处理，以得到激发态原子。激发态原子被第一势阱和第二势阱约束于势阱位置。

32、在一种可能的实现方式中，在构建第二势阱时，上述势阱构建模块，具体用于：设置电极结构，以形成第二势阱；其中，电极结构包括多个电极，多个电极之间包括电场强度小于预设阈值的区域。

33、在一种可能的实现方式中，在设置电极结构，以形成第二势阱时，上述势阱构建模块，具体用于：设置第一电极结构，以形成第二势阱；第一电极结构包括相对设置的第一电极和第二电极，第一电极和第二电极的级性均为正极，第一电极和第二电极之间形成第二势阱。

34、在一种可能的实现方式中，在设置电极结构，以形成第二势阱时，上述势阱构建模块，具体用于：设置第二电极结构，以形成第二势阱；第二电极结构包括相对的第三电极和第四电极，第三电极和第四电极的级性相同；第二电极结构还包括相对的第五电极和第六电极，第五电极和第六电极的级性相同；第三电极和第五电极的级性相反；其中，第三电极、第四电极、第五电极和第六电极之间形成第二势阱。

35、在一种可能的实现方式中，在设置电极结构，以形成第二势阱时，上述势阱构建模块，具体用于：设置第三电极结构，以形成第二势阱；第三电极结构包括相对的第一电极阵列和第二电极阵列，第一电极阵列包括相邻的第七电极和第八电极，第二电极阵列包括相邻的第九电极和第十电极，第七电极和第九电极相对设置，第八电极和第十电极相对设置，第七电极和第八电极的级性相反，第九电极和第十电极的级性相反，第七电极和第十电极的级性相同，第八电极和第九电极的级性相同；其中，第七电极、第八电极、第九电极和第十电极之间形成第二势阱。

36、在一种可能的实现方式中，上述势阱构建模块，还用于：调整第一势阱和/或第二势阱的参数，以使第一约束势与第二约束势相匹配；第一约束势表示第一势阱对基态原子的约束程度，第二约束势表示第一势阱和第二势阱共同对激发态原子的约束程度。

37、在一种可能的实现方式中，上述激发态原子包括处于里德堡态的原子。

38、在一种可能的实现方式中，电场强度小于预设阈值的区域为第二势阱的零电场点，零电场点表示第二势阱中的电场强度为零的区域。

39、在一种可能的实现方式中，上述第一势阱包括光阱和/或光晶格。

40、在一种可能的实现方式中，上述原子操作模块，还用于：根据激发态原子，进行逻辑运算，以得到量子计算的结果。

41、第四方面，本技术提供了一种量子计算系统，包括第一方面及其任一种可能的实现方式所描述的原子约束系统。其中的原子操作单元还用于：根据激发态原子，进行逻辑运算，以得到量子计算的结果。

42、第五方面，本技术提供一种电子设备，包括：至少一个存储器，用于存储程序；至少一个处理器，用于执行存储器存储的程序；其中，当存储器存储的程序被执行时，处理器用于执行如第二方面中所描述的方法。

43、第六方面，本技术提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机程序，当计算机程序在处理器上运行时，使得处理器执行如第二方面中所描述的方法。

44、第七方面，本技术提供一种计算机程序产品，当计算机程序产品在处理器上运行时，使得处理器执行如第二方面中所描述的方法

45、可以理解的是，上述第二方面至第七方面的有益效果可以参见上述第一方面中的相关描述，在此不再赘述。