对原子量子计算机抑制背景电场和原子损失的装置及方法

本发明属于量子计算与原子物理实验，具体涉及对原子量子计算机抑制背景电场和原子损失的装置，还涉及对原子量子计算机抑制背景电场和原子损失的方法，在小型化原子量子计算机中对熔融石英玻璃真空腔内壁附近的杂散背景电场及里德堡原子损失进行抑制，适用于基于光镊阵列的中性里德堡原子量子模拟与量子计算平台。

背景技术：

1、在基于中性里德堡原子的量子计算实验中，原子通常被光镊阵列囚禁于距真空腔壁仅数十微米至数毫米的位置。相关研究表明，熔融石英玻璃腔壁表面存在两类影响电场环境的电荷结构：一是由吸附铷原子形成的正电偶极层，二是束缚于表面的低能电子。

2、吸附铷原子的正电偶极层：铷原子吸附于熔融石英表面时，因极化效应及部分电荷转移形成指向表面外的微观电偶极矩。大量此类偶极矩构成宏观正电偶极层，产生背离表面方向的正背景静电场。

3、负电子亲和势表面与束缚电子：铷吸附使得熔融石英表面能带向下弯曲，形成负电子亲和势表面，真空能级低于石英导带底。该表面对由光电效应、黑体辐射电离等过程产生的低能自由电子具有强烈的俘获能力，使其稳定束缚于表面。

4、电场不均匀性与噪声：玻璃腔内壁表面吸附的铷原子随机分布，形成空间不均匀的斑块，导致表面电势起伏，产生空间变化的杂散电场及其梯度。表面束缚的电子因高迁移率而空间弥散并发生数量涨落，从而叠加电场噪声。

5、里德堡激发光的光电效应：采用波长为420nm和1013nm的双光子里德堡激发方案时，420nm光子能够脱附表面原子和表面电子，另外其能量可能超过表面吸附铷原子的光电发射阈值，电离出电子。这些电子不仅加剧电场噪声，还可能撞击并电离处于高激发态的里德堡原子，造成原子损失，严重破坏基态与里德堡态之间的相干演化，使得拉比振荡第二个周期高度无法达到第一个周期水平。

6、现有技术存在以下不足：

7、a)由吸附斑块引起的空间电场梯度难以通过简单的全局补偿电场消除；

8、b)现有电场抑制方法多依赖复杂的动态补偿电极，普适性和长期稳定性不足；

9、c)束缚电子的涨落导致电场噪声持续存在，影响基态-里德堡态相干操控的保真度；

10、d)短波长里德堡激发光本身会通过光电离产生额外电子，造成里德堡原子损失，严重影响量子门操作的保真度。

技术实现思路

1、本发明旨在为解决小型化原子量子计算机中熔融石英玻璃真空腔内壁杂散电场梯度与电场噪声对里德堡原子相干操控的干扰，以及里德堡激发光本身引起的光电离电子造成原子损失的问题，提供一种综合性的电场抑制与原子损失抑制方法。

2、本发明的上述目的通过以下技术手段来实现：

3、对原子量子计算机抑制背景电场和原子损失的装置，包括真空玻璃腔体，真空玻璃腔体的内壁均匀镀有目标原子的原子层，偶极光经过偶极光光路在真空玻璃腔体内的目标区域形成偶极阱阵列，形成偶极阱阵列的光束透射真空玻璃腔体后，经输出光路由scmos相机进行探测；第二里德堡激发光经过对应的第二光路输入至真空玻璃腔体，第一里德堡激发光经过对应第一光路输入至真空玻璃腔体，在真空玻璃腔体的一对侧壁外分别设置第一磁场线圈和第二磁场线圈，第一磁场线圈和第二磁场线圈产生的磁场的方向平行于形成偶极阱阵列的光束透射真空玻璃腔体的方向；真空玻璃腔体外的辅助光源发射辅助激光至真空玻璃腔体，从而对原子层表面的残余电子进行光致电子脱附；

4、目标原子为碱金属原子或碱土金属原子。

5、如上所述目标原子为铷rb、铯cs、锂li、钠na、钾k、锶sr以及镱yb中的一种。

6、如上所述偶极光光路包括第一半波片，偶极光经过第一半波片后，经过第一偏振分光棱镜提纯偶极光的偏振，然后再经过第二半波片、第一分光片、声光偏转器入射第二偏振分光棱镜；同时光镊准备激光经过空间光调制器入射至第二偏振分光棱镜；偶极光对应入射至第二偏振分光棱镜的光束和光镊准备激光对应入射至第二偏振分光棱镜的光束在第二偏振分光棱镜进行合束，合束后的光束依次通过第一正透镜和第二正透镜，再经过负透镜和第三正透镜扩束后，经第一聚焦透镜入射至内壁均匀镀有目标原子的原子层的真空玻璃腔体中形成偶极阱阵列。

7、如上所述真空玻璃腔体内，设置用于在目标区域囚禁目标原子的超表面或原子芯片或光芯片。

8、如上所述输出光路依次包括第二聚焦透镜和第四正透镜。

9、如上所述第一里德堡激发光对应的第一光路和第二里德堡激发光对应的第二光路如下：

10、第二里德堡激发光经过第三半波片，再经过第三偏振分光棱镜进行偏振提纯后，依次经过第一反射镜的反射、第五正透镜的聚焦，再经过第二反射镜反射后，依次透射第一1/4波片和第四半波片，进入内壁均匀镀有目标原子的原子层的真空玻璃腔体，打在偶极阱阵列上；

11、第一里德堡激发光依次经过第五半波片和第四偏振分光棱镜，进行偏振提纯，然后经过第三反射镜反射并由第六正透镜进行聚焦，再经过第四反射镜反射后经过第二1/4波片和第六半波片进入内壁均匀镀有目标原子的原子层的熔真空玻璃腔体，并打在偶极阱阵列上。

12、对原子量子计算机抑制背景电场和原子损失的方法，利用如上所述对原子量子计算机抑制背景电场和原子损失的装置，其特征在于，包括如下步骤：

13、步骤1、在真空玻璃腔体的内腔壁镀目标原子的原子层，并保持真空玻璃腔体的真空度；

14、步骤2、搭建偶极光光路、输出光路、第一里德堡激发光对应的第一光路和第二里德堡激发光对应的第二光路，在偶极阱阵列中装载目标原子；确定辅助光源出射辅助激光的波长，并使辅助激光以选定的波长持续照射真空玻璃腔体；

15、步骤3、对第一磁场线圈和第二磁场线圈通电，并保持第一磁场线圈和第二磁场线圈的电流大小。

16、如上所述步骤1包括如下步骤：

17、步骤1.1、为真空玻璃腔体连接镀原子层系统，所述镀原子层系统包括六通真空转接法兰，六通真空转接法兰通过真空玻璃腔体的一侧壁设置的管道与真空玻璃腔体连通，六通真空转接法兰还连接离子泵、分子泵；真空玻璃腔体侧壁上设置目标原子释放剂；

18、步骤1.2、启动分子泵，对真空玻璃腔体进行抽气，排出气体分子；

19、步骤1.3、将真空玻璃腔体以及管道加热到预设加热温度，并将温度维持预设时间长度；

20、步骤1.4、关闭分子泵，保持真空玻璃腔体腔内处于封闭的真空状态，对目标原子释放剂通电激活，同时持续监测真空玻璃腔体的透射率，当真空玻璃腔体的透射率降至透射率下限时，切断目标原子释放剂的电源；

21、步骤1.5、关闭目标原子释放剂的电源，并将真空玻璃腔体以及管道冷却至预设冷却温度；

22、步骤1.6、依次通过分子泵、离子泵将真空玻璃腔体抽真空，并利用离子泵将真空玻璃腔体位置在预设真空度。

23、如上所述步骤1.4中监测真空玻璃腔体的透射率具体包括如下步骤：

24、利用观测激光透过真空玻璃腔体，由功率探测器探测透过真空玻璃腔体的光的能量，并计算透过真空玻璃腔体的光的能量与观测激光出射光的能量比值。

25、如上所述步骤2具体包括如下步骤：

26、步骤2.1、搭建偶极光光路、输出光路、第一里德堡激发光对应的第一光路和第二里德堡激发光对应的第二光路，在偶极阱阵列中加载目标原子；在预设波长区间段内选择多个辅助激光候选波长，将辅助光源出射的辅助激光的波长依次调整至各个辅助激光候选波长并持续照射至真空玻璃腔体，针对每个辅助激光候选波长，通过第一里德堡激发光和第二里德堡激发光使偶极阱阵列中目标原子在基态和激发态之间的布居数随时间或脉冲长度周期性振荡，并通过scmos相机探测目标原子的布居数，从而得到相应的rabi振荡曲线，保留rabi振荡相邻周期振幅衰减值小于预设振幅衰减阈值的辅助激光候选波长作为初选波长；

27、针对每个初选波长，对偶极阱阵列中的目标原子施加第一个基态到里德堡激发态的π/2脉冲，进行自由演化，然后施加第二个基态到里德堡激发态的π/2脉冲，并通过scmos相机探测偶极阱阵列中的目标原子的布居数，从而得到对应的ramsey条纹并提取对应的退相时间，选择退相时间最长时对应的初选波长，作为选定的辅助激光波长；基态到里德堡激发态的π/2脉冲由第一里德堡激发光和第二里德堡激发光形成；

28、步骤2.2、辅助光源以选定的辅助激光波长对真空玻璃腔体进行持续照射。

29、本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：

30、电场梯度有效抑制：通过蒸镀均匀的目标原子的原子层，使表面电偶极层饱和，后续原子沉积不再引入局域偶极矩变化，从根本上消除吸附斑块导致的杂散电场梯度，为里德堡原子提供高度均匀的背景电场环境。

31、电场噪声明显降低：利用长波长红光进行选择性电子光脱附，在基本不影响吸附原子层的前提下清除束缚电子，有效降低电场涨落。

32、残余电子的偏转防护：通过磁场取向与强度的优化，使残余电子的运动轨迹偏离原子阵列，进一步降低其与里德堡原子的碰撞概率，提升量子操控的保真度。

33、系统简单、长期稳定：无需复杂动态补偿电极或外部清洁装置，仅通过表面材质改性和光、磁场参数优化即可实现电场与原子损失的协同抑制，适合小型化集成，且均匀铷层在连续实验运行条件下可长期维持稳定。