用于操纵带电粒子的方法与流程

1.本发明涉及使用带电粒子的量子传感和计算。


背景技术：

2.陷俘的带电粒子对于量子传感和计算而言是有前景的平台。与在其他候选技术中一样，挑战在于在基本逻辑运算中实现高水平的保真度，以及将系统扩展到更大数量的量子比特。


技术实现要素：

3.根据本发明的一个方面，提供了一种方法，所述方法包括：使用电磁阱将带电粒子陷俘在第一位置处；在所述第一位置处提供静磁场，使得所述带电粒子的量子比特跃迁被限定；以及使用纠缠电极提供振荡磁场。存在于所述第一位置处的所述振荡磁场不包含与所述量子比特跃迁直接耦合的极化分量。在所述第一位置处，所述振荡磁场具有将所述量子比特跃迁与所述带电粒子的运动耦合的所述振荡磁场的所述极化分量的空间梯度。
4.在一些具体实施中，所述纠缠电极在与所述静磁场的方向垂直的第一方向上延伸。所述量子比特跃迁是在其各自的磁量子数相差1的状态之间的西格玛跃迁，并且在所述第一位置处的所述振荡磁场是经线性极化的，与所述静磁场的方向平行，使得所述振荡磁场不与所述量子比特跃迁直接耦合。
5.在一些具体实施中，所述纠缠电极包括共面波导。
6.在一些具体实施中，所述共面波导包括：中心轨道；第一返回轨道；以及第二返回轨道。所述中心轨道在所述第一返回轨道与所述第二返回轨道之间在所述第一方向上延伸，并且所述第一返回轨道和所述第二返回轨道电连接到与所述电磁阱共享的接地端子。
7.在一些具体实施中，所述共面波导还包括短路连接件。所述第一返回轨道、所述第二返回轨道和所述中心轨道在一端处电连接到短路连接件。所述第一位置与所述短路连接件之间在所述第一方向上的距离小于λ/4，其中λ为所述振荡磁场在所述共面波导中的波长。
8.在一些具体实施中，所述共面波导形成为关于所述中心轨道对称。
9.在一些具体实施中，所述方法还包括：使用所述电磁阱将第二带电粒子陷俘在第二位置处；提供所述静磁场，使得所述静磁场的大小和方向在所述第一位置和所述第二位置处相同；以及使用所述纠缠电极为所述第二带电粒子提供所述振荡磁场。所述纠缠电极在与连接所述第一位置和所述第二位置的线的方向平行的方向上延伸，使得存在于所述第二位置处的所述振荡磁场不包含与所述第二带电粒子的量子比特跃迁耦合的极化分量。
10.在一些具体实施中，所述方法还包括：通过用所述振荡磁场激发所述量子比特跃迁的一个或多个运动边带，在所述带电粒子和所述第二带电粒子上产生自旋相关力。
11.根据本发明的另一个方面，提供了一种用于生成带电粒子之间的量子纠缠的装置，所述装置包括：基板，所述基板具有彼此相对的第一面和第二面；阱电极，所述阱电极设
置在平面状基板的所述第一面上，被配置为响应于电压而形成电磁阱，所述电磁阱用于将带电粒子陷俘在第一位置处，使得所述第一面介于所述第一位置与所述第二面之间；以及纠缠电极，所述纠缠电极设置在所述平面状基板的所述第一面上并沿所述基板在第一方向上延伸，被配置为响应于振荡电流而生成在所述第一位置处与所述基板平行并与所述第一方向垂直的振荡磁场。
12.在一些具体实施中，所述纠缠电极包括共面波导。
13.在一些具体实施中，所述共面波导包括：中心轨道；第一返回轨道；以及第二返回轨道。所述中心轨道在所述第一返回轨道与所述第二返回轨道之间在所述第一方向上延伸，并且所述第一返回轨道和所述第二返回轨道电连接到被保持处于相对于所述阱电极的接地端子的固定电位的端子。
14.在一些具体实施中，所述第一返回轨道、所述第二返回轨道和所述中心轨道在一端处电连接到短路连接件。
15.在一些具体实施中，所述第一返回轨道和所述第二返回轨道的宽度宽于所述第一返回轨道和所述第二返回轨道的材料在所述振荡磁场的频率下的穿透深度。
16.在一些具体实施中，所述电磁阱是表面电极保罗阱。
17.在一些具体实施中，所述表面电极保罗阱被配置为使得所述电磁阱的对称轴置位成沿所述第一方向。
18.在一些具体实施中，所述表面电极保罗阱包括：第一rf电极和第二rf电极，所述第一rf电极和所述第二rf电极在所述第一方向上延伸；以及第一dc电极和第二dc电极，所述第一dc电极和所述第二dc电极在所述第一方向上延伸。所述第一rf电极和所述第二rf电极设置在所述第一dc电极与所述第二dc电极之间，并且所述纠缠电极设置在所述第一rf电极与所述第二rf电极之间。
19.在一些具体实施中，提供了一种用于量子信息处理的系统，所述系统包括：多个带电粒子；用于使所述多个带电粒子中的两个或更多个带电粒子纠缠的上述装置；用于生成静磁场的装置；以及信号发生器，所述信号发生器用于为所述电磁阱和所述纠缠电极生成电信号；
附图说明
20.现在将参考附图以示例的方式描述本发明的某些实施方案，在附图中：
21.图1是用于使用陷俘的带电粒子进行量子信息处理的系统的示意图。
22.图2是用于产生经调零的(nulled)磁场分布的表面电极阱的示意图。
23.图3a是用于产生经部分调零的磁场分布的表面电极阱的示意图。
24.图3b是用于产生经部分调零的磁场分布的表面电极阱上的共面波导的示意图。
25.图4是用于产生经部分调零的磁场分布的表面电极阱的示例性实施方案的示意图。
26.图5是用于使带电粒子纠缠的方法的流程图。
具体实施方式
27.对于使用带电粒子的通用量子计算机的具体实施而言，可以从在带电粒子的状态
之间具有rf/微波域中的共振频率的跃迁来实现量子比特。例如，对于原子离子而言，超精细跃迁可以用作量子比特。
28.由于在用聚焦的激光束寻址每个带电粒子方面的便利性，以及通过短波长光辐射产生的自旋和运动自由度之间的强耦合，这些微波跃迁通常经由光跃迁来操纵。本发明涉及一种用于生成陷俘的带电粒子之间的量子纠缠的无激光方法。提出了一种用于生成陷俘的带电粒子之间的量子纠缠的对应设备。
29.图1是用于使用陷俘的带电粒子进行量子信息处理的系统的示意图。
30.带电粒子10可以被陷俘在真空室20中。真空室20提供了允许单独的带电粒子10被隔离的超高真空环境。使用射频或微波电场，可以将带电粒子10限制在预确定体积的空间内，其中可以将带电粒子10的运动冷却至接近其运动基态。
31.在本说明书中，术语“带电粒子”将用于表示具有净电荷的原子、分子或离子。特别地，带电粒子10还包括诸如电子或正电子等元电荷粒子。
32.表面电极阱
33.一个或多个带电粒子10可以被陷俘在表面电极阱100的表面附近。表面电极阱100可以被配置为响应于提供给表面电极阱100的电压而产生电磁阱。例如，表面电极阱100可以是射频保罗阱。为方便起见，在本说明书中，将以射频保罗阱作为表面电极阱100的示例进行讨论。
34.表面电极阱100包括基板101和微制造在基板101的第一表面上的多个电极110、120、130。
35.在一些具体实施中，电极110、120、130可以形成用于陷俘、操纵带电粒子10以及使这些带电粒子纠缠的一个或多个元件。基板101的第一表面上的电极110、120、130的二维布局能够可延伸到大阵列的多路复用阱，该大阵列的多路复用阱用于使用陷俘的带电粒子10进行可缩放的量子信息处理或量子计算，称为量子ccd(nature 417,710-711(2002))。为简洁起见，图1仅描绘了可能的大阵列的多路复用阱的单个单元。
36.可以将电压和电流施加到表面电极110、120、130以用于多种目的。在本说明书中，我们将按这些电压和电流所处的典型频率范围将这些电压和电流称为：“rf”电压，用于产生有质动力限制电位；较低频率“dc”电压，用于产生静态限制电位并用于在芯片周围运输离子；以及“微波”电流，用于驱动量子逻辑运算并产生纠缠。
37.陷俘的带电粒子10与电极110、120、130之间的距离可以小于rf或微波的波长，并且因此处于所谓的近场状态。
38.可以使用由电极110、120、130生成的磁场来处理存储在多个带电粒子10中的量子信息。特别地，由电极110、120、130生成的磁场可以用于产生带电粒子10之间的纠缠。
39.在一些具体实施中，表面电极阱100可以包括第一dc电极110-1、第二dc电极110-2、第一rf电极120-1、第二rf电极120-2和中心电极130。
40.电极110、120、130可以是在一个方向上延伸的导体。例如，在图1中，rf电极120和中心电极130在x方向上延伸。
41.在一些具体实施中，电极110、120、130中的一者或多者可以由扁平条带或线材形成。
42.第一rf电极120-1、第二rf电极120-2和中心电极130可以设置在第一dc电极110-1
与第二dc电极110-2之间。
43.在一些具体实施中，中心电极130可以设置在第一rf电极120-1与第二rf电极120-2之间。
44.尽管在图1中，中心电极130被描绘为单个条带，但是中心电极130的几何结构可以包括另外的结构和功能特征，因此不限于是扁平条带或单个线材。特别地，中心电极130可以包括适用于对相互作用的带电粒子10的高保真纠缠运算的另外的特征。在一些具体实施中，将微波施加到dc电极110-1、110-2。
45.在一些具体实施中，中心电极130可以包括中心dc电极131和纠缠电极132。中心dc电极131可以作为将在下文讨论的表面保罗阱的一部分用于陷俘带电粒子10，并且纠缠电极132可用于生成用于使两个或更多个陷俘的带电粒子10纠缠的微波场。然而，中心dc电极和纠缠电极132两者均有助于纠缠和陷俘，因为中心dc电极131和纠缠电极132两者均被保持处于rf接地，并且因为对于任何射频信号而言，返回电流流过中心dc电极131。
46.在一些具体实施中，纠缠电极132可以被配置为生成电磁场梯度，由此带电粒子10附近的场的大小包括空间方差。这可用于在带电粒子10上提供用于生成带电粒子10之间的纠缠的状态相关力。
47.在一些具体实施中，当表面电极阱100包括若干个内层来路由信号时，纠缠电极132可以不放置在基板101的表面上，而是放置在内层之一上。
48.在一些具体实施中，中心电极130可以包括分别用于中心dc电极131和纠缠电极132的单独的结构。替代地，在一些具体实施中，中心电极130可以形成一个集成导体、单个线材或单个条带，其既可以用作中心dc电极131，也可以用作纠缠电极132。替代地，在一些具体实施中，中心电极130可以形成一个集成导体、单个线材或单个条带，其仅用作纠缠电极132。在一些具体实施中，中心dc电极131可以包括两个或更多个电极条带。
49.电极110、120、130可以电连接到电子控制单元30。
50.电子控制单元30可以包括至少一个dc源，以及至少一个rf源或微波源。在一些具体实施中，电子控制单元30可以包括dc源、rf源和微波源。rf源或微波源的示例包括直接数字合成器。
51.响应于从电子控制单元30接收到的信号，电极110、120、130可以被设计和配置为产生用于陷俘带电粒子10的电磁位。例如，电极110、120、130可以形成用于陷俘带电粒子10的表面电极保罗阱。
52.下面将描述使用电极110、120、130的表面电极保罗阱的具体实施。然而，陷俘带电粒子10的方法不限于这些示例。只要其与如将在本说明书中详述的纠缠电极132的设计相容，陷俘带电粒子10的任何方法都可以针对表面电极阱100被采用。例如，可以有各种方式来实现可用于陷俘带电粒子10的目的的保罗阱或彭宁阱。
53.为了陷俘带电粒子10，第一dc电极110-1、第一rf电极120-1、中心dc电极131、第二rf电极120-2、第二dc电极110-2可以形成所谓的“5线材表面阱”、“5线材保罗阱”或“5线材设计”(quantum information and computation,第5卷,第6号(2005)419-439)。这5个电极110-1、110-2、120-1、120-2、131有助于响应于由电子控制单元30提供给这些电极的电压而在距基板101的表面固定距离d处形成带电粒子10的阱。陷俘的带电粒子10围绕阱的中心振荡。可以冷却带电粒子10，使得该运动的振幅减小。
54.在一些具体实施中，第一dc电极110-1、第一rf电极120-1、中心dc电极131、第二rf电极120-2、第二dc电极110-2可以呈导体条带或线材的形式。
55.在一些具体实施中，第一rf电极120-1、中心dc电极131和第二rf电极120-2可以彼此平行。例如，如图1所示，这些电极可以在x方向上延伸。
56.在一些具体实施中，第一dc电极110-1、第一rf电极120-1、中心dc电极131、第二rf电极120-2、第二dc电极110-2可以被布置成使得rf电极120-1、120-2插置于两个dc电极110-1、110-2之间。例如，在图1中，在x方向上延伸的电极110、120、130可以沿y方向按以下顺序布置：第一dc电极110-1、第一rf电极120-1、中心dc电极131、第二rf电极120-2和第二dc电极110-2。
57.在一些具体实施中，第一dc电极110-1、第一rf电极120-1、中心dc电极131、第二rf电极120-2、第二dc电极110-2可以彼此平行，并且关于在电极的延伸方向上限定的轴线对称布置。例如，如图1所示，第一dc电极110-1和第二dc电极110-2可以位于在y方向上距中心dc电极131相等的距离处。相似地，第一rf电极120-1和第二rf电极120-2可以位于在y方向上距中心dc电极相等的距离处，使得5个电极110-1、110-2、120-1、120-2、131关于x轴对称布置。在一些具体实施中，除了对称布置之外，作为关于x轴的对称对应物的电极110-1、110-2、120-1、120-2的宽度可以相同。例如，第一rf电极120-1和第二rf电极120-2可以具有在y方向上的相同宽度。在这种情况下，x轴形成对于由5个电极110-1、110-2、120-1、120-2、131形成的阱而言的完全对称轴。
58.通过使用电子控制单元30向第一rf电极120-1、第二rf电极120-2、第一dc电极110-1、第二dc电极110-2和中心dc电极施加电压，可以在基板表面附近形成保罗阱。
59.通常，通过电子控制单元30向第一rf电极120-1和第二rf电极120-2施加具有在10mhz至100mhz的范围内的频率的rf电压以及dc电压。
60.带电粒子10的平衡位置(称为“阱中心”)与基板101之间在z方向上的距离d通常在10微米至100微米的范围内。rf伪位场中的局部最小值在中心电极130上方距离d处形成沿轴向(x)方向的阱轴。因此，当多个带电粒子10被陷俘时，这些带电粒子可以沿中心电极130的延伸方向对准。
61.在一些具体实施中，第一dc电极110-1和第二dc电极110-2可以在纵向方向上被分段，如图1中所描绘的。每个分段可以被维持在不同的dc电压下，这可以根据需要进行控制。这使得带电粒子10能够在纵向方向或图1中的x方向上穿梭。
62.一旦如上所述带电粒子10在空间中被陷俘，就可以如下所述对带电粒子10进行冷却、寻址和操纵。
63.冷却和检测带电粒子
64.带电粒子10可以包括作为电子能级的内能能级11、12、13。这些内能能级11、12、13可以包括诸如塞曼态和超精细态等状态。这些能级11、12、13可能受到诸如电场或磁场等的外部偏压的影响。例如，内能能级11、12、13中的一些内能能级的简并可以通过施加诸如静磁场等外部偏压来提升。由于阱内的带电粒子10的运动，状态空间是电子能级11、12、13和运动状态的乘积。
65.量子信息的单位，即量子比特，可以以两种状态存储在带电粒子10的能级11、12、13内。量子比特状态有时可以称为“0”态和“1”态，或“上”态和“下”态。
66.带电粒子10可以包括基能级11和受激能级12。在基能级11与受激能级12之间可能存在至少一个电偶极子允许跃迁，即第一跃迁14。
67.第一跃迁14可以处于从uv到近ir的范围内的光学状态，其中常规光源和检测器可用于激发和检测。
68.状态从受激能级12的自发衰减导致从带电粒子10发射光子，其可用于检测带电粒子10。
69.为此，搁置(shelving)能级13可以是带电粒子10的具有长寿命的电子能级。
70.例如，基能级11可以是
40
ca

的4s
1/2
能级，并且搁置能级13可以是3d
5/2
能级。当带电粒子10处于基能级11中时，与跃迁14共振的激光的施加导致发射荧光。因此，通过首先使用与跃迁15共振的窄线宽激光将一种量子比特状态转移到搁置能级，可以从荧光推断出该量子比特状态。
71.例如，在带电粒子10是诸如电子或正电子等元电荷粒子的情况下，可以通过观察阱结构中感应出的电流来检测其运动。
72.除了如上所述由5线材保罗阱提供的电磁陷俘之外，可以通过诸如多普勒冷却等激光冷却方法进一步限制和减慢带电粒子10的空间运动。
73.在一些具体实施中，诸如带电粒子10的第一跃迁14等允许的光跃迁可用于多普勒冷却。
74.作为存储和处理量子信息的基本单位，“基能级量子比特”可以使用在基能级11中的状态(即作为“0”态和“1”态或较低量子比特状态和较高量子比特状态的第一量子比特状态11-1和第二量子比特状态11-2)之间的量子比特跃迁16来实现。例如，基能级量子比特的量子比特状态11-1、11-2可以是塞曼态或超精细态中的两种状态。这些量子比特状态11-1、11-2可以映射到第一跃迁14的状态以供读出。
75.进行量子比特跃迁的塞曼能级和超精细能级
76.基能级11可以包括超精细结构。同样在静磁场40下，基能级11内的状态可能由于塞曼效应而分裂。
77.在其中不存在超精细结构的一些具体实施中，第一量子比特状态11-1和第二量子比特状态11-2可以是基能级11内的两种塞曼态。
78.为了可靠地读出量子比特状态11-1、11-2，可以将相应的量子比特状态11-1、11-2映射到“光量子比特”。例如，如果第一量子比特状态11-1映射到搁置状态13，并且第二量子比特状态11-2保持与围绕第一跃迁14的循环跃迁耦合，则对量子比特状态11-1、11-2的高保真度状态检测可以通过以下方式来执行：在搁置状态13的寿命内的固定时间区间内测量从带电粒子10发射的光子的数量。
79.在一些具体实施中，第一量子比特状态11-1和第二量子比特状态11-2可以是基能级11的两种超精细态。
80.超精细结构允许在某些场处到一阶的变得与磁场无关的跃迁。通常，量子比特跃迁16的共振频率在ghz范围内或在微波范围内。例如，
43
ca

基能级11的s
1/2
能级分裂成两个不同的f值，f＝3,4，在零场处以3.226ghz分裂。
81.在一些具体实施中，第一量子比特状态11-1和第二量子比特状态11-2可以是超精细能级的两种伸展态(stretched state)，对于给定的f值具有最大mf的量子数。这些状态
可以允许进行方便的状态制备和检测。例如，s
3, 31/2
态和s
4, 41/2
态可以通过光泵浦来制备，并通过用σ 偏振光激发第一跃迁14来读出。
82.当超精细能级的伸展态用作量子比特状态11-1、11-2时，如上所述，量子比特状态11-1、11-2中的一种量子比特状态可以通过激发第二跃迁15的窄四极跃迁映射到搁置状态13。
83.在提供磁场以激发量子比特跃迁16时，还可以考虑不与量子比特跃迁16耦合的微波近场的任何分量是否可能激发其他跃迁。这可能会影响量子信息处理的保真度。
84.纠缠量子比特
85.在提供电磁场以激发带电粒子10的量子比特跃迁16时，应考虑静磁场40的方向或等效地考虑带电粒子10的量化轴的方向来提供电磁场的极化。静磁场40限定了带电粒子10的量化轴，因此限定了可以与量子比特跃迁16耦合的微波场的极化。
[0086]“西格玛跃迁”或“σ跃迁”是指带电粒子10在其磁量子数相差1的状态之间的跃迁16。只有与静磁场40的方向垂直的电磁场分量才与西格玛跃迁耦合。
[0087]“派跃迁”或“π跃迁”是指带电粒子10在具有相同磁量子数值的状态之间的跃迁16。只有与静磁场40的方向平行的电磁场分量才与派跃迁耦合。
[0088]
为了激发微波π跃迁(图1中的量子比特跃迁16)，与该跃迁耦合的磁场(例如由纠缠电极132生成)应包含与静磁场40的方向平行的非零分量。
[0089]
因此，表面电极阱100，特别是纠缠电极132，可以在假设表面电极阱100相对于静磁场40的方向的特定的空间对准的情况下进行设计。
[0090]
在下面的示例中，除非另有说明，否则表面电极阱100被对准，使得静磁场40的方向被设定为与基板101的表面平行并与电极110、120、130的延伸方向垂直。例如，在图1中，静磁场40在x方向上。然而，本文所述的发明构思不限于这种配置。可以使用表面电极阱100的任何可能的设计以及电极110、120、130相对于静磁场40的方向的任何可能的配置，只要它们与以下描述的纠缠电极132的设计相容即可。
[0091]
本说明书中所考虑的量子比特状态11-1、11-2可以是带电粒子10的任何两种稳定状态，只要量子比特跃迁可以用rf或微波辐射激发即可。
[0092]
在本说明书中，考虑了这样的实验配置，其中通过由纠缠电极132生成的振荡rf/微波磁场来生成纠缠。
[0093]
通过使用自旋相关力或状态相关力来产生带电粒子10之间的有效自旋-自旋相互作用或有效相互作用(这取决于量子比特状态11-1、11-2)，可以生成带电粒子10之间的纠缠。这些自旋相关力传统上是使用光频下的辐射生成的，例如，通过用彼此失谐的两个激光器以接近于量子比特跃迁16的共振的频率驱动受激拉曼跃迁。
[0094]
最近，已经引入了无激光方法或纯电子方法，其中使用具有高空间梯度的近场微波来生成自旋相关力。
[0095]
无激光技术或电子技术具有优于基于激光的方案的若干优点。激光对由于从受激能级12散射的光子而可能产生的纠缠的保真度引入了基本限制。对于电子技术而言不存在这样的限制。而且，电子技术对于运动状态初始化的敏感性可大大降低，使得仅多普勒冷却就足够了，而不是依赖于近基态耦合。
[0096]
此外，基于激光的方案通常需要高光强。集成和缩放rf/微波电子器件可以比光学
器件更简便，特别是对于针对基于激光的纠缠通常所需要的uv频率而言。此外，与在光频下相比，在rf/微波下源、调制器和其他部件通常可以更小、更便宜，并需要更低的功耗。特别地，与在光频下相比，在rf/微波下相位控制可以更稳定可靠。
[0097]
一种无激光方法使用在载流线材的近场中产生的振荡(rf/微波)磁场梯度来生成自旋相关力。在这种情况下，该线材对应于上述纠缠电极132。
[0098]
在近场辐射中产生节点
[0099]
用于生成纠缠的自旋相关力是由在带电粒子10的位置处的振荡磁场的空间梯度产生的。对于近场纠缠而言的特殊挑战来自于这样的事实，即该梯度通常伴随有强场振幅，这将耦合到量子比特跃迁16以及与量子比特状态相关的任何其他基能级跃迁(未示出)。
[0100]
这种不期望的耦合会降低可能产生的纠缠的保真度。已经探索了各种方法来最小化这种不期望的耦合的影响。例如：使用微波腔滤波器抑制噪声；积极稳定场振幅；采用动态解耦来抑制由场引入的频移。
[0101]
另一种方法通过在“经调零的”配置中操作来消除该耦合。在该配置中，由纠缠电极132的不同部分产生的场干涉以产生在带电粒子的位置10处振幅为零的振荡磁场，同时仍维持在该位置处的强空间梯度。图2示出了用于产生经调零的场的纠缠电极的示例。然而，如下面将描述的，这些配置也可能受到限制。用于解决这些问题的纠缠电极132的设计呈现在图3a和图3b中。
[0102]
图2是用于产生经调零的磁场分布的表面电极阱的示意图。
[0103]
图2在左侧示出了用于实现“主动调零几何结构”的表面电极阱200，并且在右侧示出了用于实现“被动调零几何结构”的表面电极阱250。
[0104]
用于主动调零的表面电极阱200包括基板201以及沉积在基板201的第一表面上的多个电极210、220、230。
[0105]
表面电极阱200包括第一dc电极210-1、第二dc电极210-2、第一rf电极220-1、第二rf电极220-2和中心电极230。如在图1的示例中那样，中心电极230可以包括中心dc电极231和第一纠缠电极232-1。
[0106]
用电子控制单元30向dc电极210-1、210-2和rf电极220-1、220-2施加电压，同时将中心dc电极231和第一纠缠电极232-1保持处于rf/dc接地，这些电极可以用作如图1中所讨论的表面电极保罗阱。为了使带电粒子10纠缠，可以将rf/微波电流施加到第一纠缠电极232-1。
[0107]
对于用于主动调零的表面电极阱200的操作而言，可以将微波电流以精确控制的振幅和相位同时施加到三个共线导体，即第一纠缠电极232-1、第二纠缠电极232-2和第三纠缠电极232-3，以在带电粒子10的位置处主动抑制场振幅并产生节点或调零点，同时仍然维持在该点处的强场梯度。例如，在c.ospelkaus等人phys.rev.lett.101,090502(2008)中提出了这种方法。
[0108]
这种主动调零方法可能存在几个问题：它可能易受这些微波电流的振幅或相位中的偏移的影响，并且易受不为所有三个电极232-1、232-2、232-3所共有的任何噪声的影响。在rf/微波频率下，微波量子比特控制电流可能在用于5线材表面保罗阱的电极210-1、210-2、220-1、220-2、130中感应出电流。因为rf电极220-1、220-2为多区阱中的所有区所共有，所以这可能导致跨阱200的串扰。
[0109]
用于被动调零几何结构的表面电极阱250包括基板251以及沉积在基板251的第一表面上的多个电极260、270、280、282。表面电极阱250包括第一dc电极260-1、第二dc电极260-2、第一rf电极270-1和第二rf电极270-2以及中心电极280。当用电子控制单元30将电压施加到这些共线电极260-1、260-2、270-1、270-2、280时，这些电极充当如上所述的表面电极保罗阱。
[0110]
如m.carsjens等人appl.phys.b 114,243(2014)中所述，用于被动调零几何结构的表面电极阱250包括曲折结构282，即自身折回的导线。如上所述，曲折结构282包括与第一纠缠电极282-1相对应的部分、分别与第二纠缠电极282-2和第三纠缠电极282-3相对应的部分。这些部分整体形成为在基板251的平面中的一个曲折条带导体282。
[0111]
rf/微波频率下的单个电流可以被发送到曲折结构282中，以便根据与用于主动调零几何结构的表面电极阱200相似的原理，在带电粒子10的其中振荡磁场振幅接近于0的位置处产生节点或零点。rf电极270-1、270-2与曲折结构282之间的间隙以及该曲折结构的各个部分的宽度可以预确定，以便在曲折结构282上方的空间中的预确定位置处产生调零点。
[0112]
该技术可能存在其自身的问题。
[0113]
1.由于靠近带电粒子10的调零电极282-1、282-2和中心电极280在x方向上的有限长度，会有沿曲折结构282的相移，这可能会阻止形成完全零位(perfect null)。
[0114]
2.表面电极阱250仍然具有与用于主动调零的表面电极阱200相同数量的导体。
[0115]
3.由于用于表面保罗阱的曲折导体结构282和其他电极260、270之间的紧密耦合，在多区离子阱或带电粒子阱中的区之间可能存在相当大的串扰。最小化串扰对于量子计算而言尤为重要，其中跨大型多区离子阱的低串扰是关键要求。
[0116]
4.形成调零电极282-1、282-2、282-3和中心电极280的曲折导体282的不对称结构可能对制造和模拟公差敏感。此外，在其他电极中感应出的任何电流都可能影响调零。
[0117]
本说明书提供了表面电极阱100、200、250的几何结构，其有助于在带电粒子10的位置处的场振幅的部分调零或经部分调零的磁场分布，这可以解决上述问题。并非以在带电粒子10的位置处的磁场的完全零位为目标，纠缠电极132、232、282可以针对对量子比特状态11-1、11-2和静磁场40的方向的特定选择进行设计。着眼于仅对与所选量子比特跃迁16耦合的场分量调零来设计纠缠电极132、232、282。这可以允许纠缠电极132、232、282具有明显更简单且对称的结构，该结构可以减轻与主动调零几何结构和被动调零几何结构相关联的问题。
[0118]
图3a是用于产生经部分调零的磁场分布的表面电极阱的示意图。
[0119]
图3a在左侧示出了表面电极阱300，并且在右侧示出了描绘在表面电极阱300的纠缠电极330周围的磁场分布的图。
[0120]
表面电极阱300包括第一dc电极310-1、第二dc电极310-2、第一rf电极320-1、第二rf电极320-2和中心电极330。当用电子控制单元30将电压施加到这些共线电极310-1、310-2、320-1、320-2、330时，这些电极可以用作如上所述的5线材表面保罗阱。
[0121]
中心电极330包括纠缠电极332。纠缠电极332包括沿x方向的共面(co-planar)(或共面(coplanar))波导或传输线332。
[0122]
共面波导332包括中心轨道332-1、第一返回轨道332-2和第二返回轨道332-3，它们都在x方向上延伸。中心轨道332-1插置于返回轨道332-2、332-3之间。
[0123]
在一些具体实施中，中心轨道332-1和返回轨道332-2、332-3充当5线材表面保罗阱的rf和dc接地。
[0124]
可以通过布置这些轨道的尺寸来控制共面波导332的阻抗。共面波导332的阻抗由共面波导332的几何结构方面决定，并且在很大程度上独立于工作频率和表面电极阱300中的其他电极310、320、330。返回轨道332-2、332-3与中心轨道332-1以预确定的间隙分开，该预确定的间隙可以沿共面波导332在x方向上的长度具有恒定的宽度。中心轨道332-1与返回轨道332-2、332-3之间的间隙可以根据共面波导332的预确定的阻抗来确定。
[0125]
中心轨道332-1可以用作共面波导332的信号线材，并且第一返回轨道332-2和第二返回轨道332-3可以用作共面波导332的接地线材。
[0126]
在一些具体实施中，共面波导332可以形成为关于中心轨道332-1对称。
[0127]
在一些具体实施中，第一返回轨道332-2和第二返回轨道332-3可以被保持处于与表面电极阱300的接地平面(特别是与用于5线材表面保罗阱的接地)相同的电位。
[0128]
如果返回轨道332-2、3332-3被布置为使得它们各自的宽度大于穿透深度，则这可以提供屏蔽以减少阱电极310-1、310-2、320-1、320-2和共面波导332之间的串扰。
[0129]
中心轨道332-1的返回电流主要流过第一返回轨道332-2和第二返回轨道332-3。换句话讲，如果在任何情况下对穿过共面波导332在yz平面中的横截面的电流进行积分，由于共面波导332的基模，其导致近似为零。共面波导332也具有高阶模，但那些较高阶模通常不传播。此外，输入耦合可以设计成在很大程度上避免激发它们，例如，通过将第一返回轨道332-2和第二返回轨道332-3短接在一起。这可以与主动调零几何结构200和被动调零几何结构250形成对比，其中在不提供受控阻抗返回路径的其他电极(诸如阱rf电极232、282)中感应出大量电流。
[0130]
使用共面波导332作为纠缠电极332为返回电流提供了良好受控的路径，并且防止微波电流沿不期望的路径不可预测地流动。控制共面波导332的阻抗也是简便的。使用共面波导332作为纠缠电极332在多区阱中可能是有利的，其中任何感应电流沿不期望的路径流动可能导致区之间的强串扰，因为rf轨道为所有阱区所共有。
[0131]
在一些具体实施中，由共线电极310-1、310-2、320-1、320-2、330形成的5线材表面保罗阱的阱轴可以产生在中心轨道332-1上方距离d处与中心轨道332-1平行的阱轴。在这种情况下，在带电粒子10的位置处，由共面波导330生成的磁场在y方向上。换句话讲，由共面波导在带电粒子10的位置处生成的磁场方向与基板301平行，并且与中心轨道332-1或共面波导332的方向垂直。
[0132]
如图3a的右图所示的磁场分布可以通过共面波导332的固有特性来实现，并且对轨道332-1、332-2、332-3的材料特性或特定尺寸具有鲁棒性，只要总体对称性不被破坏即可。如在主动调零几何结构200或被动调零几何结构250的情况下那样，因为仅使用一个rf/微波信号源来对中心轨道332-1进行馈送，所以无需控制发送到轨道332-1、332-2、332-3的信号的相对相位。
[0133]
部分调零方法可以具有以下技术优势：
[0134]
1.纠缠电极或共面波导332仅需要一个电流源。共面波导332的所得振荡磁场的方向不易受微波电流的振幅或相位中的偏移的影响。因此，不需要对电流的振幅和相位进行精确控制或校准。
[0135]
2.纠缠电极或共面波导332依赖于对称设计而不是对感应电流的细致的模拟、制造和控制。因此，不需要对纠缠电极332的精确设计和制造。因为共面波导332紧凑，所以它在表面电极阱300上为其他电极310-1、310-2、320-1、320-2留出了更多空间。这可以进一步减少dc电极310-1、310-2和rf电极320-1、320-2上的感应电流。这还可以允许由rf电极320-1、320-2形成的rf阱本身被更好地优化，例如，通过挑选rf电极320-1、320-2的几何结构来最大化阱深度或调和性。
[0136]
3.因为共面波导332具有完全包围信号的接地，所以它具有减少的串扰(特别是在该接地有若干个穿透深度宽的情况下)。
[0137]
4.调零的质量不易受到沿电极的相移的影响，在被动调零几何结构250中可能就是这种情况。
[0138]
5.因为纠缠电极332是共面波导，所以使用具有用于信号和返回电流的明确限定的路径的受控阻抗迹线。
[0139]
6.因为电流被定位成更靠近粒子，所以效率可以更高。因为共面波导332的所有三个导体(即中心轨道332-1、332-2、332-3)都靠近陷俘的带电粒子10的位置，所以就产生给定梯度所需的电功率而言，使用共面波导332作为纠缠电极332可以是有效的。
[0140]
7.振荡磁场中的节点在以粒子位置10为中心的整个x-z平面中产生，而不仅仅是沿着单条线。
[0141]
通过配置5线材保罗阱的阱轴，可以将带电粒子10置于这样的位置，其中带电粒子10仅在y方向上经受磁场。
[0142]
静磁场40可以被施加为与基板301平行并与中心轨道332-1垂直，使得量化轴位于阱的平面中但与沿共面波导332的中心轨道332-1的对称轴垂直。如果阱中心被布置成使得带电粒子10被置于这样的位置，其中其仅经受与静磁场40平行的磁场，则共面波导332的所得振荡磁场是经纯π极化的。
[0143]
除了如上所述在带电粒子10的位置处的场方向的布置之外，还可以选择带电粒子10的量子比特状态11-1、11-2，使得量子比特跃迁16不与由纠缠电极或共面波导332生成的微波场耦合。当耦合的显著性由跃迁的失谐以及极化分量或“拉比频率”的强度决定时，振荡磁场不包含与不涉及带电粒子10的运动从量子比特状态的任何变化的任何跃迁产生显著耦合的分量。术语“拉比频率”将用于指代粒子的任何两种状态之间与振荡磁场的耦合程度，包括不涉及粒子运动的任何变化的“载波”跃迁以及改变运动状态的“运动边带”跃迁。这种布置在本说明书中将被称为部分调零几何结构，如下文更详细解释的。
[0144]
在部分调零几何结构中，纠缠电极232可以设计成可靠地在带电粒子10的位置处产生预确定的极化，并且可以相应地选择静磁场40和量子比特跃迁16，使得预确定的极化分量不与量子比特跃迁16耦合。然而，可能存在与产生自旋相关力的量子比特跃迁16的运动边带耦合的振荡磁场的梯度。换句话讲，与量子比特跃迁16耦合的振荡磁场分量不存在于带电粒子10的位置处，但存在于带电粒子10的位置附近。梯度形成为使得分量的大小远离阱中心而增加。
[0145]
可以将部分调零应用于任何基能级或亚稳能级量子比特。
[0146]
例如，在图3a中，带电粒子10的位置在z方向上位于中心轨道332-1的正上方，其中由共面波导生成的振荡磁场的方向在y方向上，与基板310平行并与共面波导332的方向垂
直。因为静磁场40在y方向上，所以带电粒子10仅经受经π极化的振荡磁场。如果选择“自旋-1/2”粒子(例如没有核自旋的粒子)作为带电粒子10，则量子比特跃迁16是唯一的经σ极化的基能级跃迁。
[0147]
因此，在阱中心处的量子比特跃迁16不与经纯π极化的振荡磁场耦合，从而导致与经完全调零的场相同的结果，而不管实际场振幅如何。然而，远离阱中心或带电粒子10的位置，存在其强度随着与阱中心的距离增加而增加的经σ极化的分量。因此，存在振荡磁场的经σ极化的分量的强梯度，其可用于生成纠缠。
[0148]
因为部分调零仅需要单个纠缠电极332，所以它对多个电极之间的相对振幅或相位稳定性或差分噪声不敏感。在一些具体实施中，如果从与磁场耦合的量子比特状态的所有跃迁的频率与量子比特跃迁16的频率相差足够大以使相互作用变得微不足道，则可以将部分调零应用于具有超精细结构的能级中的量子比特跃迁16。例如，在
43
ca

的s
3, 31/2
态和s
4, 41/2
态之间的超精细量子比特跃迁16中，与通过由共面波导332生成的rf/微波振荡场产生的耦合“拉比频率”相比，每个流形(manifold)中的状态之间的塞曼分裂f＝3和f＝4需要很大。例如，对于
43
ca

中的基能级跃迁而言，150mt的静磁场40可以在跃迁之间产生50mhz的分裂。只要与这种分裂相比，从量子比特状态跃迁出时的“拉比频率”足够小，就可以认为振荡磁场被部分调零。
[0149]
在一些具体实施中，返回轨道332-2、332-3的宽度可以被确定为大于材料的趋肤深度或穿透深度。在rf/微波频率下，这高度依赖于工作频率和材料。表面电极阱100可以在低温下操作，其中电阻以及因此穿透深度低于室温下的电阻和穿透深度。
[0150]
图3b是用于产生经部分调零的磁场分布的表面电极阱上的共面波导的示意图。
[0151]
图3b的上图示出了共面波导332的电连接布置。
[0152]
为了从共面波导生成rf/微波频率下的振荡磁场，被配置为生成rf/微波频率电流的信号发生器31可以连接到中心轨道332-1。
[0153]
为表面电极阱300(包括5线材表面保罗阱)的电路所共用的接地端子32连接到第一返回轨道332-2和第二返回轨道332-3。信号发生器31的rf/微波接地也连接到接地端子32。如上所述，这些提供了受控的阻抗接地路径，它最小化了从共面波导生成的信号到阱其他部分上的杂散耦合。
[0154]
下图示出了共面波导332a，其包括中心轨道332a-1、第一返回轨道332a-2和第二返回轨道332a-3。用于从具有信号发生器31和接地端子32的共面波导332a生成振荡磁场的电连接布置与图3b的上图中相同。
[0155]
在一些具体实施中，共面波导332a还可以包括短路连接件332a-4，其电连接接地轨道332a-1、第一返回轨道332a-2和第二返回轨道332a-3。短路连接件332a-4因此经由第一返回轨道332a-2和第二返回轨道332a-3接地。在这种情况下，可以将带电粒子10置于远离短路连接件的第一距离332a-5处。为了避免磁场分布的端部效应，第一距离332a-5可以大于例如中心轨道332a-1的宽度的五倍。包括短路连接件332a-4以将带电粒子10置于共面波导332a的电流的波腹附近。因此，可以将带电粒子10置于尽可能靠近短路连接件332a-4而不会遇到端部效应。例如，可以将带电粒子10置于比距短路连接件332a-4的λ/4更近的位置，其中λ是共面波导332a中的微波电流的波长。
[0156]
可以将振荡rf/微波电流从共面波导332a的与其中放置短路连接件332a-4的端部
相反的端部馈送到轨道332a-1、332a-2、332a-3中。
[0157]
在一些具体实施中，短路连接件332a-4可以朝向由5线材表面保罗阱限定的区域在x方向上的端部电连接到中心轨道332a-1、第一返回轨道332a-2和第二返回轨道332a-3。
[0158]
利用短路连接件332a-4，对于输入到共面波导332a中的给定功率而言，与没有短路连接件332a-4的共面波导332相比，共面波导332a可以在带电粒子10的位置附近提供更大的电流。此外，共面波导332a不需要单独的芯片外终端。通过实现源与共面波导之间的阻抗匹配，可以进一步增加在带电粒子10的位置处的场梯度。
[0159]
在部分调零中所使用的阱是完全对称的，并且因此不需要精确和细致的模拟或制造即可在阱的中心处或在带电粒子10的位置处产生所需的场分布。与主动调零几何结构200和被动调零几何结构250相比，具有共面波导332、332a设计的部分调零几何结构300提供了良好限定的电流返回路径。这允许对共面波导332、332a的阻抗进行受控确定，并且因此允许基于简单模拟的准确设计。
[0160]
因为第一返回轨道332-2、332a-2和第二返回轨道332-3、332a-3的宽度可以大于rf/微波电流的典型穿透长度或趋肤深度(其往往集中于共面波导332的轨道边缘附近)，所以第一返回轨道332-2、332a-2和第二返回轨道332-3、332a-3均允许返回电流流动，并且还提供了有效的屏蔽层以最小化阱rf电极320-1、320-2中感应出的rf/微波电流，并因此强烈抑制串扰。
[0161]
图4是用于产生经部分调零的磁场分布的表面电极阱的示例性实施方案的示意图。
[0162]
图4中所示的表面电极阱400可以是较大设计的一部分，其中表面电极阱400的许多单元被集成为多个表面电极阱400的阵列。
[0163]
在一些具体实施中，表面电极阱400可以包括沉积在基板上的金属膜。例如，金属膜可以包括金，并且金膜的厚度可以在100nm至10μm的范围内。从均匀的金属膜开始，可以经由标准平版印刷技术(例如光刻法)来制造图案。可以根据材料和特征部大小(诸如特征部的宽度或高度)来选择适当的平版印刷术模式。例如，可以通过围绕沉积在基板上的图案化光刻胶材料进行电镀来沉积金属膜。
[0164]
表面电极阱400包括第一dc电极410-1、第二dc电极410-2、第一rf电极420-1、第二rf电极420-2和共面波导或纠缠电极432。
[0165]
在图4的示例中，第一dc电极410-1和第二dc电极410-2分别包括至少5个区段。这提供了控制带电粒子10在x方向上的位置所需的自由度。使用第一dc电极410-1和第二dc电极410-2的三个连续区段，可以形成势阱以在x方向上限制带电粒子10。当分开在相同势阱中开始的一对带电粒子10时，可以使用第一dc电极410-1和第二dc电极410-2的多个区段。
[0166]
第一dc电极410-1和第二dc电极410-2在x方向上占400微米的距离。可以将带电粒子10加载在该区域内，并且可以由第一dc电极410-1和第二dc电极410-2提供在x方向上的限制。
[0167]
第一rf电极420-1和第二rf电极420-2的宽度可以在10微米至500微米的范围内，例如28微米。
[0168]
共面波导432在x方向上的长度可以在100微米至100mm之间。
[0169]
在y方向上，第一dc电极410-1与第一rf电极420-1之间，或第二dc电极410-2与第
二rf电极420-2之间的间隙可以在1微米至50微米之间，例如，5微米。该间隙不依赖于工作频率，并且小于带电粒子10在表面电极阱400上方的高度。该间隙的下限通过制造公差设定。
[0170]
共面波导432包括中心轨道432-1、第一返回轨道432-2和第二返回轨道432-3。这些轨道在x方向上延伸，并且中心轨道432-1可以插置于第一返回轨道432-2和第二返回轨道432-3之间。
[0171]
第一返回轨道432-2和第二返回轨道432-3在x方向上的长度或范围可以在1微米至100微米的范围内，例如10微米。
[0172]
在y方向上，第一rf电极420-1与第一返回轨道432-2之间，或第二rf电极420-2与第二返回轨道432-3之间的间隙可以在1微米至50微米之间，例如，5微米。
[0173]
在y方向上，中心轨道432-1与第一返回轨道432-2之间，或中心轨道432-1与第二返回轨道432-3之间的间隙可以在1微米至50微米之间，例如10微米。
[0174]
共面波导432可以包括短路连接件432-4，其电连接中心轨道432-1、第一返回轨道432-2和第二返回轨道432-3。
[0175]
如上文在图3b中所解释的，与没有短路连接件432-4的共面波导432相比，对于相同的输入功率而言，具有短路连接件432-4的共面波导432可以允许在带电粒子10处具有更大的场梯度。此外，共面波导432不需要单独的芯片外终端。
[0176]
带电粒子位置10可以在z方向上被陷俘在中心轨道432-1上方。在z方向上，带电粒子10与中心轨道432-1之间的距离可以在20微米至100微米的范围内。
[0177]
可以根据第一dc电极410-1和第二dc电极410-2的布置来确定带电粒子10在x方向上的位置。
[0178]
而且，还可以确定带电粒子10在x方向上的位置，使得它离短路连接件432-4足够远以避免端部效应。短路连接件432-4与带电粒子10的位置之间在x方向上的第一距离432-5应远小于λ/4，其中λ是共面波导432中的微波的波长。
[0179]
图5是用于使带电粒子纠缠的方法的流程图。
[0180]
在步骤510中，使用电磁阱110、120、130、210、220、230、260、270、280、310、320、330、410、420、430将带电粒子10陷俘在第一位置处；
[0181]
在步骤520中，在第一位置处提供静磁场40，使得带电粒子10的量子比特跃迁16被限定。
[0182]
在步骤530中，使用纠缠电极332、332a、432提供振荡磁场。存在于所述第一位置处的所述振荡磁场不包含与所述量子比特跃迁直接耦合的极化分量。在所述第一位置处，所述振荡磁场具有将所述量子比特跃迁与所述带电粒子的运动耦合的所述振荡磁场的所述极化分量的空间梯度。在该步骤中，在带电粒子10的位置处促进了场振幅的部分调零或经部分调零的磁场分布。
[0183]
附图中示出和上文描述的本发明的实施方案仅是示例性实施方案，并不旨在限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求限定。意在本文描述的非互斥特征的任何组合都在本发明的范围内。