一种离子装载系统及方法与流程

1.本技术涉及量子计算技术领域，具体而言，涉及一种离子装载系统及方法。


背景技术：

2.囚禁离子量子计算与量子网络系统，应用囚禁离子作为量子比特实现量子计算与量子态的传递。在超高真空中利用电磁场对离子进行囚禁，可以极大的隔离环境噪声及噪声导致的量子态退相干过程。通过激光照射离子而产生的离子
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光相互作用，实现离子中电子态的变换，进而实现量子态的制备、计算、状态读取等操作。目前，离子阱中仅有同种类离子已经不能满足多离子量子计算以及量子网络中量子态长程传输的需求。
3.在制备离子阱量子计算系统过程中很重要的一步是“装载”待囚禁离子，用于产生离子并实现离子囚禁过程。在现有技术中，离子装载过程中产生待电离原子束的方法有原子炉热蒸发法、激光靶材烧蚀剥离法等。原子炉热蒸发法通过加热靶材，使其热蒸发出金属原子，原子从靶材蒸发出去后，除被囚禁在势场中的原子外，其余原子会蒸镀在真空腔器件表面，并形成一层金属膜，可能导致囚禁离子电极等器件短路失效，另外，如果蒸镀出的原子在真空腔视窗上成膜，则会影响真空视窗对激光的透过率、产生像差，影响量子操作和读取的保真度及效率。原子源喷射方向的对准和路径校调此前步骤繁琐，尤其是对激光烧蚀方法，需要在整个系统安装好后才能测试，同时还涉及激光对准的步骤，因此需要非常精细的设计和繁琐的调节才能完成原子源的对准与安装。且对于两种方法装载离子时需要两套原子源，多个原子源同时安装在空间上极易产生交叠与冲突，占用空间很大，不易做集成小型化。


技术实现要素：

4.本技术实施例的目的在于提供一种离子装载系统及方法，用以实现多种类原子源的独立控制，以及多种类原子束的产生。复用同一套多原子源和原子行进路径，同时实现两种方法产生和装载离子。利用共振荧光实现对原子行进路径的测量与对准。
5.本技术实施例第一方面提供了一种离子装载系统，包括：原子源，用于产生待电离的原子束，所述原子源包括多个原子管道，所述多个原子管道之间具有预设夹角，其中，多个所述原子管道分别连接至加热电源，形成多个独立的加热回路；离子阱装置，设置在所述原子束的出射方向上，多个所述原子束在所述离子阱装置的势场中心处部分重叠；偏转镜，设置在所述多个原子管道中心线的交点处；烧蚀激光源，所述烧蚀激光源发出的烧蚀激光经过所述偏转镜射入所述原子源。
6.于一实施例中，所述多个原子管道的第一端相互独立，用于盛装原子靶材，所述多个原子管道的第二端合并为一个出口，所述原子靶材射出的原子束从所述出口射向所述离子阱装置。
7.于一实施例中，所述离子阱装置包括多个电极，相邻两个所述电极之间设置有绝缘间隔。
8.于一实施例中，所述离子阱装置包括：基材，以及设置在所述基材上的抛物面金属电极，所述抛物面金属电极包括第一电极、第二电极、第三电极、第四电极和第五电极，所述第一电极和所述第五电极上加载直流电压，所述第二电极、所述第三电极和所述第四电极上加载射频交流电压。
9.于一实施例中，所述第三电极和所述第四电极之间的绝缘间隔大于所述原子束在所述抛物面金属电极出射处的截面直径。
10.于一实施例中，还包括：电离激光源，用于发射电离激光，所述电离激光沿垂直所述原子束方向，从所述第三电极和所述第四电极之间的绝缘间隔入射；回泵激光源，用于发射回泵激光，所述回泵激光沿所述电离激光入射方向的反方向，从所述第三电极和所述第四电极之间的绝缘间隔入射；冷却激光源，用于发射冷却激光，所述冷却激光从所述第一电极和所述第二电极之间的绝缘间隔入射。
11.于一实施例中，所述基材上开设有多个通孔，用于入射所述原子束、所述电离激光、所述冷却激光和所述回泵激光，所述通孔指向所述抛物面金属电极的焦点。
12.于一实施例中，所述离子阱装置为针状离子阱、四级杆离子阱、刀片离子阱中的一种。
13.本技术实施例第二方面提供了一种离子装载方法，包括：通过准直的热蒸发和/或激光烧蚀剥离产生待电离的原子束射向离子阱；利用电离激光对所述离子阱中的原子进行电离，得到目标离子；对所述目标离子进行冷却。
14.于一实施例中，在所述通过准直的热蒸发和/或激光烧蚀剥离产生待电离的原子束射向离子阱之前，还包括：根据原子源热蒸发产生的原子束的传播路径，调整离子阱装置的位置，以使多个所述原子束在所述离子阱装置的势场中心处部分重叠；根据所述原子源和所述离子阱装置，确定偏转镜和激光源的位置，以使所述激光源发出的激光经过所述偏转镜反射向所述原子源。
15.于一实施例中，还包括：利用原子共振荧光对所述原子束的传播路径进行测量与对准。
16.本技术可以对多种类原子源进行独立控制，可以同时产生多种类原子束，还可以同时实现热蒸发原子束和激光烧蚀原子束的产生，并且，两种方式产生的原子所通过路径是一致的，因此校调一种方式产生的原子束并使之通过离子阱囚禁势场中心的同时，另一种方式也被自动校准，有效降低了使用激光剥蚀法制备原子束的装调校准难度。原子束经过一段管道路径准直输出，通过改变管道路径参数，可以实现准直原子束发散角控制，降低了对真空电极的附着污染，降低了电极失效的风险，提高了原子利用率。
附图说明
17.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对本技术实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
18.图1为本技术一实施例的离子装载系统的结构示意图；
19.图2为本技术一实施例的原子束在原子管道内发散传播的示意图；
20.图3为本技术一实施例的离子阱装置的结构示意图；
21.图4为本技术另一实施例的离子装载系统的结构示意图；
22.图5为本技术另一实施例的离子阱装置的结构示意图；
23.图6为本技术一实施例的离子阱装置的俯视图；
24.图7为本技术一实施例的离子阱装置的结构示意图；
25.图8为本技术一实施例的离子阱装置的结构示意图；
26.图9为本技术一实施例的离子装载方法的流程示意图。
27.附图标记：
28.100
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离子装载系统，110
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原子源，111
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原子管道，120
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离子阱装置，121
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势场中心，122
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基材，123
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抛物面金属电极，21
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第一电极，211
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第一子电极，212
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第二子电极，213
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第三子电极，214
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第四子电极，22
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第二电极，23
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第三电极，24
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第四电极，25
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第五电极，251
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第五子电极，252
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第六子电极，253
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第七子电极，254
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第八子电极，124
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通孔，130
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偏转镜，140
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烧蚀激光源，141
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烧蚀激光，150
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电离激光源，151
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电离激光，160
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回泵激光源，161
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回泵激光，170
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冷却激光源，171
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冷却激光；
29.31
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第一驱动电极，32
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第二驱动电极，33
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第三驱动电极，34
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第四驱动电极，35
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第一端帽电极，36
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第二端帽电极，41
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第五驱动电极，42
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第六驱动电极，43
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第七驱动电极，44
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第八驱动电极，45
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第一补偿电极，46
‑
第二补偿电极。
具体实施方式
30.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行描述。
31.在本技术的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，并不表示排列序号，也不能理解为指示或暗示相对重要性。
32.在本技术的描述中，术语“包括”、“包含”等表示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其他特征、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
33.在本技术的描述中，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
34.在本技术的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
35.在本技术的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“配置为”应做广义理解。例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
36.请参看图1，其为本技术一实施例的离子装载系统100的结构示意图，离子装载系统100包括：原子源110、离子阱装置120、偏转镜130和烧蚀激光源140，其中，原子源110用于
产生待电离的原子束，原子源110包括多个原子管道111，多个原子管道111之间具有预设夹角，并且，多个原子管道111分别连接至加热电源，形成多个独立的加热回路，图1中以三个原子管道111为例。离子阱装置120设置在原子束的出射方向上，多个原子束在离子阱装置120的势场中心121处部分重叠。偏转镜130设置在多个原子管道111中心线的交点处。烧蚀激光源140发出的烧蚀激光141经过偏转镜130射入原子源110。
37.于一实施例中，多个原子管道111的第一端相互独立，用于盛装原子靶材，多个原子管道111的第二端合并为一个出口，原子靶材射出的原子束从出口射向离子阱装置120。
38.于一实施例中，原子管道111可以是圆柱形，也可以是方形。原子管道111在底部独立分开，原子管道111的底部可以用于填装原子靶材，每个原子管道111向前延伸指向离子阱装置120的势场中心121，相邻原子管道111之间具有预设夹角，使原子管道111前部逐渐接近，并最终合并为一个出口。原子靶材仅填装在每个原子管道111的独立部分，不能超过原子管道111开始合并之处，从而避免影响出射原子纯度及出射发散角。于一实施例中，相邻原子管道111之间的预设夹角为1度，离子阱装置120的势场中心121位于原子管道111独立部分延长线的交界区域。
39.于一实施例中，原子管道111可以实现对出射原子束的准直和发散角控制，如图2所示，其为本技术一实施例中原子束在原子管道111内发散传播的示意图，原子管道111可以为薄壁不锈钢管，准直性较差的原子束在传播过程中被粘附到原子管道111的管壁上，只有准直性满足要求的原子束可以从原子管道111射出，从原子管道111射出的原子束的发散半角满足以下公式：
[0040][0041]
其中，θ表示原子束的发散半角，d表示原子管道111的直径，l表示原子管道111的长度。可以通过更换不同直径或长度的原子管道111实现对出射原子束的发散角控制，使其具有较好的准直性。
[0042]
于一实施例中，可以在不同的原子管道111分别填装不同的靶材，原子管道111用于填装靶材的第一端相互独立且绝缘，在每个原子管道111的第一端固定一根导线，连通至feedthrough(穿通密封件，是用来提供电、气或流体从真空腔体外传输到真空腔体内的通道)的三个引线，作为控制每个原子束的独立控制线。多个原子管道111的第二端合并为一个出口，形成共用连接，作为加热回路的另一个公共电气端子，连接至feedthrough的另一个接线柱。
[0043]
可以通过在feedthrough公共端子和任一独立控制端子间加载一定电压和电流实现单一原子源的选择性加热与蒸发出射。至少一束原子从原子管道111内的靶材蒸发，由于热运动脱离靶材表面，在管内运动，若撞击管壁，或附着于管壁上，或改变方向运动。在经过一段长度的原子管道111准直后，热原子运动的速度方向，被约束为出射口径与管长之比。
[0044]
多个原子管道111中的原子束，各自有一定交角，刚刚出射时截面无交集，随着传播，各自截面积逐步增大，产生交集，再继续向前传播，由于交角角度与发散角角度的不同，会在一定传播距离后，再次分开独立。因此，装载囚禁离子的区域，应在多束原子束截面交集部分内。
[0045]
于一实施例中，可以通过调整偏转镜130的角度实现单束烧蚀激光141偏转，选择
性烧蚀激发一个原子管道111中的靶材。于一实施例中，可以设置多个烧蚀激光源140，使烧蚀激光141分别照射不同靶材，实现同时激发多个原子管道111中的靶材，产生多种类的原子束。
[0046]
于一实施例中，也可以烧蚀激光源140之前依次设置分束器件、独立多通道光开关、透镜组等光学器件，将同一束激光分为多束，并实现每束对准和控制一个原子管道111中的靶材。
[0047]
于一实施例中，离子阱装置120包括多个电极，相邻两个电极之间设置有绝缘间隔。
[0048]
于一实施例中，离子阱装置120的每个电极可以仅加载单电压，例如加载直流电压或加载射频交流电压，每个电极也可以都加载直流电压和交流电压。
[0049]
于一实施例中，离子阱装置120为针状离子阱、四级杆离子阱、刀片离子阱中的一种。
[0050]
于一实施例中，离子阱装置120为分段抛物面离子阱。
[0051]
本技术可以对多种类原子源进行独立控制，可以同时产生多种类原子束，还可以同时实现热蒸发原子束和激光烧蚀原子束的产生，并且，两种方式产生的原子所通过路径是一致的，因此校调一种方式产生的原子束并使之通过离子阱囚禁势场中心的同时，另一种方式也被自动校准，有效降低了使用激光剥蚀法制备原子束的装调校准难度。原子束经过一段管道路径准直输出，通过改变管道路径参数，可以实现准直原子束发散角控制，降低了对真空电极的附着污染，降低了电极失效的风险，提高了原子利用率。
[0052]
如图3所示，其为本技术一实施例的离子阱装置120的结构示意图，离子阱装置120包括：基材122，以及设置在基材122上的抛物面金属电极123，抛物面金属电极123被分为五个部分，包括第一电极21、第二电极22、第三电极23、第四电极24和第五电极25，第一电极21和第五电极25上加载直流电压，第二电极22、第三电极23和第四电极24上加载射频交流电压。第一电极21包括：第一子电极211、第二子电极212、第三子电极213和第四子电极214，第五电极25包括：第五子电极251、第六子电极252、第七子电极253和第八子电极254。
[0053]
于一实施例中，在垂直于原子束传播方向的径向距离，即第三电极23和第四电极24之间的绝缘间隔，大于原子束在该处抛物面金属电极出射处的截面直径。
[0054]
于一实施例中，离子装载系统100还包括：电离激光源150、回泵激光源160和冷却激光源170，其中，电离激光源150用于发射电离激光151，电离激光151沿垂直原子束方向，从第三电极23和第四电极24之间的绝缘间隔入射。回泵激光源160用于发射回泵激光161，回泵激光161沿电离激光151入射方向的反方向，从第三电极23和第四电极24之间的绝缘间隔入射。冷却激光源170用于发射冷却激光171，冷却激光171从第一电极21和第二电极22之间的绝缘间隔入射。
[0055]
于一实施例中，对于yb离子，电离激光151为波长为399nm和369nm，回泵激光161波长为935nm和638nm，冷却激光171波长为369nm。于一实施例中，对于其他种类的原子如ca 、sr 、be等均要替换相关的激光，如不需要某中用途的激光，则省略该激光光束，如某种离子需要多束激光实现yb中单束激光的功能，则按照要求进行激光波长和数量的替换。如be不需要回泵激光，ca需要多束回泵激光。
[0056]
于一实施例中，基材122上开设有多个通孔124，用于入射原子束、电离激光、冷却
激光和回泵激光，通孔124指向抛物面金属电极的焦点。
[0057]
于一实施例中，抛物面金属电极123的抛物面焦距f为2.1mm，抛物面方程为z＝r^2/(4f)，则焦平面(z＝f)处抛物面开口直径为8.4mm，第三电极23和第四电极24之间的绝缘间隔距离为0.4mm。原子管道111的长度可以为16.5mm，直径可以为0.265mm，从原子管道111出射的原子束的发散角约为0.46
°
，原子束由第三电极23和第四电极24之间的绝缘间隔入射，在对侧抛物面处出射时的截面直径小于0.4mm，即原子束不会沉积于抛物面金属电极123上，因此保护了电极，延长了离子阱装置120的使用寿命。
[0058]
如图4所示，其为本技术一实施例的离子装载系统100的结构示意图，原子源110包括三个原子管道111，三个原子管道111始终相互独立，并且相邻原子管道111之间的预设夹角为1
°
，原子管道111可以是长度为16.5mm，直径为0.265mm的不锈钢毛细管，原子管道111的一端用于填装原子靶材，另一端逐渐接近，用于出射原子束。在a点处，从原子管道111出射的三束原子束的截面形状约为宽0.4mm，高度0.265mm。离子阱装置120为抛物面离子阱，其在势场中心121所处平面的抛物面开口半径为4.2mm，三束原子束在离子阱装置120的势场中心121(trap center)处部分重叠，重叠区域大小约为0.2mm*0.2mm。三个原子管道111的中心线在b点处交于一点，在b处设置有偏转镜130，烧蚀激光源140发出的烧蚀激光141经过偏转镜130射入原子源110，可以选择性激发其中一个原子管道111内的原子靶材。
[0059]
于一实施例中，每个原子管道111填装靶材的一端单独接电源线，可以分别与公共端(com)形成独立的加热回路，实现对三种原子束的独立控制。
[0060]
如图5所示，其为本技术一实施例的离子阱装置120的结构示意图，图6为本技术一实施例的离子阱装置120的俯视图，离子阱装置120为四级杆离子阱，包括：第一驱动电极31、第二驱动电极32、第三驱动电极33、第四驱动电极34、第一端帽电极35和第二端帽电极36，第一驱动电极31、第二驱动电极32、第三驱动电极33和第四驱动电极34上加载射频交流电压，第一驱动电极31、第二驱动电极32、第三驱动电极33和第四驱动电极34相互平行间隔设置，类似长方体的四条棱边，其中，第一驱动电极31和第三驱动电极33的一端接地。第一端帽电极35和第二端帽电极36分别设置于离子阱装置120的两端，位于第一驱动电极31、第二驱动电极32、第三驱动电极33和第四驱动电极34的中间位置。
[0061]
于一实施例中，第一驱动电极31、第二驱动电极32、第三驱动电极33和第四驱动电极34组成的长方体框架的中心即为离子阱装置120的势场中心121，至少一束原子束从第三驱动电极33和第四驱动电极34之间的间隔处入射，射向离子阱装置120的势场中心，电离激光151沿垂直原子束方向，从第一驱动电极31和第二驱动电极32之间的间隔处射向离子阱装置120的势场中心121，回泵激光161沿电离激光151入射方向的反方向，从第三驱动电极33和第四驱动电极34之间的间隔处入射。于一实施例中，烧蚀激光141的入射方向与原子束的入射方向相反。
[0062]
如图7所示，其为本技术一实施例的离子阱装置120的结构示意图，离子阱装置120为针状离子阱，包括：第五驱动电极41、第六驱动电极42、第七驱动电极43、第八驱动电极44、第一补偿电极45和第二补偿电极46，第五驱动电极41、第六驱动电极42、第七驱动电极43和第八驱动电极44上加载射频交流电压，第一补偿电极45和第二补偿电极46上加载直流电压，第五驱动电极41、第一补偿电极45和第六驱动电极42沿水平方向依次设置，第七驱动电极43、第二补偿电极46和第八驱动电极44沿竖直方向依次设置。
[0063]
于一实施例中，第一补偿电极45和第二补偿电极46的中间为离子阱装置120的势场中心。
[0064]
如图8所示，其为本技术一实施例的离子阱装置120的结构示意图，离子阱装置120为刀片离子阱，包括两个直流电极(dc)和两个射频交流电极(rf)，每个直流电极又分为多个子电极，用于驱动离子轴向移动。直流电极和射频交流电极周向间隔设置，两个直流电极轴对称，两个射频交流电极轴对称，离子阱装置120的势场中心位于对称轴线上。
[0065]
如图9所示，其为本技术一实施例的离子装载方法的流程示意图，该离子装载方法可以应用于上述实施例中离子装载系统100。该方法包括如下步骤：
[0066]
步骤601：通过准直的热蒸发和/或激光烧蚀剥离产生待电离的原子束射向离子阱。
[0067]
在上述步骤中，可以通过加热填装有目标靶材的原子管道，以热蒸发的方式产生待电离的原子束，也可以利用偏转镜，使烧蚀激光源发出的烧蚀激光照射目标靶材，从而产生待电离的原子束。
[0068]
步骤602：利用电离激光对离子阱中的原子进行电离，得到目标离子。
[0069]
步骤603：对目标离子进行冷却。
[0070]
在上述步骤中，利用冷却激光对目标离子进行多普勒冷却，并在关闭原子源和电离激光后，继续保持对目标离子进行多普勒冷却的冷却激光，降低离子阱中目标离子的动能，将目标离子囚禁于势场中。
[0071]
于一实施例中，在通过准直的热蒸发和/或激光烧蚀剥离产生待电离的原子束射向离子阱之前，还包括：根据原子源热蒸发产生的原子束的传播路径，调整离子阱装置的位置，以使多个原子束在离子阱装置的势场中心处部分重叠；根据原子源和离子阱装置，确定偏转镜和激光源的位置，以使激光源发出的激光经过偏转镜反射向原子源。
[0072]
于一实施例中，离子装载方法还包括：利用原子共振荧光对所述原子束的传播路径进行测量与对准。
[0073]
在上述步骤中，从侧面任意方向照射可让原子产生荧光的激光，观察原子产生的荧光在沿原子传播方向的路径，进而可知原子束是否通过所要求的离子阱势场中心处。通过侧向照射的可使原子束产生荧光辐射的激光，及被激光照射时监测原子束散射荧光的宽度即为原子束集中区域，通过移动激光光束，对原子束行进路径进行追踪，可以监测原子束是否与所要求的中心区域重叠，并以此为标准对原子源方向进行调整。
[0074]
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。以上仅为本技术的优选实施例而已，仅用于说明本技术的技术方案，并不用于限制本技术。对于本技术领域的普通技术人员而言，凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。