一种基于跳跃式量子绝热捷径的囚禁离子的冷却方法及装置

本发明涉及量子，特别是涉及一种基于跳跃式量子绝热捷径的囚禁离子的冷却方法及装置。

背景技术：

1、在量子计算等量子技术领域中，囚禁离子系统相比于其他系统有相干时间长、操控精度高、任意两比特之间的作用相对容易实现等优势，因此非常适合量子信息处理以及量子计算，被认为是实现量子计算最有前景的系统之一。参考于国防科技大学研究生院的理学博士学位论文《冷离子量子态操控》一文，现有的囚禁离子系统包括电离发生器、蒸发器和离子囚禁单元。请参阅图1，现有的囚禁离子系统的工作过程为：电离发生器对一束原子束进行电离处理得到离子束，蒸发器对离子束进行高温蒸发处理分离出初始态离子束，离子囚禁单元将初始态离子束缚在囚禁区域中作简谐振动。初始态离子在囚禁区域中的平衡位置作简谐振动，可以看作振子，通常离子的两个长寿命的能级被选作量子比特，因此初始态离子可以看作为一个二能级系统。请参阅图2，其为囚禁离子系统中的离子囚禁单元的结构原理图。其中，x与y方向构成径向，z为轴向，u为初始态离子束。所述离子囚禁单元，包括沿径向方向四个对角设置的射频电极1和两个沿轴向方向对称设置的帽电极2。其中，四个射频电极构成四极杆电极组，两个帽电极2中心有通孔a，可以供初始态离子束进入囚禁区域。四极杆电极组中斜角相对的两个射频电极1被连接在一起，分别形成一对m电极和一对n电极。四极杆电极组的工作电源为一同时包含高频交流电压成分和直流电压成分的射频电源(图未示)，当射频电源的正、负输出电压分别加载在一对m电极和一对n电极上时，在四极杆电极所围成的场空间内会产生四极电场分布，与通入直流电的两个帽电极2产生的轴电场共同形成离子阱，离子的囚禁区域即在离子阱中。

2、为了保证离子囚禁的稳定，还需要对离子阱中的初始态离子进行冷却。因此，囚禁离子系统还包括调谐激光器和离子冷却单元，v为调谐激光器沿轴向发出的调谐激光，w为离子冷却单元沿径向发出的冷却激光，离子囚禁单元中的两个帽电极中心的通孔a可以供调谐激光进入囚禁区域。所述调谐激光器持续发出的调谐激光沿轴向照射在所述离子囚禁单元的囚禁区域中，控制初始态离子作简谐振动的二能级系统频率，所述离子冷却单元发出的冷却激光沿径向照射在离子囚禁单元的囚禁区域中，对作简谐振动的初始态离子进行冷却。

3、在囚禁离子的实验中，原始离子通常是从原子束中获得的，并在约500℃的高温烘箱中蒸发。因此，最后获得的离子具有高动能，电离时通常约为0.05ev，与10-9ev左右的动能级间距相比，这会导致较高的平均量子数，因此初始态离子必须经过冷却达到能量较低的运动状态。目前，常用多普勒冷却、西西弗斯冷却和电磁感应透明冷却方法将离子冷却至lambe-dicke区域，再采用边带冷却技术将离子冷却至运动基态。通过绝热演化可以从一个系统哈密顿量开始将系统制备到目标哈密顿量，前提是演化过程足够缓慢，因此需要很长的演化时间，即使在相干时间很长的离子系统中也很难达到。在冷却方面，如何实现囚禁离子系统的快速冷却成为了研究热点。

技术实现思路

1、基于此，本发明的目的在于，提供一种基于跳跃式量子绝热捷径的囚禁离子的冷却方法及装置，能够实现实现囚禁离子系统的快速冷却从而快速完成离子囚禁。

2、一种基于跳跃式量子绝热捷径的囚禁离子的冷却方法，包括：

3、向囚禁的初始态离子中施加一系列不同的等间距π脉冲进行冷却，得到光子数减一的目标态离子。

4、进一步地，根据一系列特定的失谐量δ的值施加一系列特定的π脉冲；其中，根据初始态离子的简谐振动得到jc模型

5、

6、将jc模型简化为二能级系统，得到

7、

8、

9、其中，δ为失谐量，δ＝ωq-ωc；

10、设定初始态|n+1，g>，目标态|n，e>，定义和其中j＝1...n，n表示脉冲数量，根据计算一系列特定的失谐量δ的值。

11、进一步地，本发明的一种基于跳跃式量子绝热捷径的囚禁离子的冷却方法还包括：

12、对原子束进行电离处理得到离子束；

13、对离子束进行蒸发处理得到初始态离子束；

14、将初始态离子束加入束缚电场中囚禁初始态离子作简谐振动。

15、进一步地，本发明的一种基于跳跃式量子绝热捷径的囚禁离子的冷却方法还包括：

16、在初始态离子束反方向加入调谐激光控制初始态离子作简谐振动的二能级系统频率。

17、本发明还提供一种基于跳跃式量子绝热捷径的囚禁离子的冷却装置，包括离子冷却单元，所述离子冷却单元用于向囚禁的初始态离子中施加一系列不同的等间距π脉冲进行冷却得到光子数减一的目标态离子。

18、进一步地，所述离子冷却单元具体用于根据一系列特定的失谐量δ的值施加一系列特定的π脉冲；其中，根据初始态离子的简谐振动得到jc模型

19、

20、将jc模型简化为二能级系统，得到

21、

22、

23、其中，δ为失谐量，δ＝ωq-ωc；

24、设定初始态|n+1，g>，目标态|n，e>，定义和其中j＝1...n，n表示脉冲数量，根据计算一系列特定的失谐量δ的值。

25、进一步地，本发明的一种基于跳跃式量子绝热捷径的囚禁离子的冷却装置还包括电离发生器、蒸发器、离子囚禁单元，所述电离发生器用于对原子束进行电离处理得到离子束，所述蒸发器用于对离子束进行蒸发处理得到初始态离子束，所述离子囚禁单元用于将初始态离子束加入束缚电场中囚禁初始态离子作简谐振动。

26、进一步地，本发明的一种基于跳跃式量子绝热捷径的囚禁离子的冷却装置还包括一个调谐激光器，用于在初始态离子束反方向加入调谐激光控制初始态离子作简谐振动的二能级系统频率。

27、为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。

技术特征：

1.一种基于跳跃式量子绝热捷径的囚禁离子的冷却方法，其特征在于：包括：

2.根据权利要求1所述的基于跳跃式量子绝热捷径的囚禁离子的冷却方法，其特征在于：根据一系列特定的失谐量δ的值施加一系列特定的π脉冲；其中，根据初始态离子的简谐振动得到jc模型

3.根据权利要求2所述的基于跳跃式量子绝热捷径的囚禁离子的冷却方法，其特征在于：还包括：

4.根据权利要求3所述的基于跳跃式量子绝热捷径的囚禁离子的冷却方法，其特征在于：还包括：

5.一种基于跳跃式量子绝热捷径的囚禁离子的冷却装置，其特征在于：包括离子冷却单元，所述离子冷却单元用于向囚禁的初始态离子中施加一系列不同的等间距π脉冲进行冷却得到光子数减一的目标态离子。

6.根据权利要求5所述的基于跳跃式量子绝热捷径的囚禁离子的冷却装置，其特征在于：所述离子冷却单元具体用于根据一系列特定的失谐量δ的值施加一系列特定的π脉冲；其中，根据初始态离子的简谐振动得到jc模型

7.根据权利要求6所述的基于跳跃式量子绝热捷径的囚禁离子的冷却装置，其特征在于：还包括电离发生器、蒸发器、离子囚禁单元，所述电离发生器用于对原子束进行电离处理得到离子束，所述蒸发器用于对离子束进行蒸发处理得到初始态离子束，所述离子囚禁单元用于将初始态离子束加入束缚电场中囚禁初始态离子作简谐振动。

8.根据权利要求7所述的基于跳跃式量子绝热捷径的囚禁离子的冷却装置，其特征在于：还包括一个调谐激光器，用于在初始态离子束反方向加入调谐激光控制初始态离子作简谐振动的二能级系统频率。

技术总结本发明涉及一种基于跳跃式量子绝热捷径的囚禁离子的冷却方法，包括对原子束进行电离处理得到离子束；对离子束进行蒸发处理得到初始态离子束；将初始态离子束加入束缚电场中囚禁初始态离子作简谐振动；向囚禁的初始态离子中施加一系列不同的等间距π脉冲进行冷却得到光子数减一的目标态离子。采用本发明所述的基于跳跃式量子绝热捷径的囚禁离子的冷却方法可以同时对离子的多个运动模式进行冷却，实现囚禁离子的快速完成。技术研发人员：王振宇,曹卓乾受保护的技术使用者：华南师范大学技术研发日：技术公布日：2024/6/2