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深度解讀

M Squared鈦寶石激光器應(yīng)用于商業(yè)化緊湊型離子阱量子計算機系統(tǒng)

激光制造網(wǎng) 來源:脈動科技2021-09-20 我要評論(0 )   

奧地利因斯布魯克大學(xué)的Rainer Blatt研究組與Alpine Quantum Technologies (AQT)公司于今年6月17日在Physics Review X Quantum期刊上發(fā)表Compact Ion-Trap Quantum Comp...

奧地利因斯布魯克大學(xué)的Rainer Blatt研究組與Alpine Quantum Technologies (AQT)公司于今年6月17日在Physics Review X Quantum期刊上發(fā)表Compact Ion-Trap Quantum Computing Demonstrator一文。該文章展示了研究組與公司聯(lián)合研發(fā)的緊湊型離子阱量子計算機演示系統(tǒng)的最新研究進展,并聲稱該系統(tǒng)代表全球離子阱量子計算機技術(shù)的領(lǐng)先水平。


R. Blatt作為離子阱量子信息處理領(lǐng)域的先驅(qū)者之一,其帶領(lǐng)的研究組在該已深耕20年多年。AQT則是R. Blatt與其博士畢業(yè)學(xué)生Thomas Monz和著名物理學(xué)家Peter Zoller一起創(chuàng)辦的一家專注離子阱量子計算的科技公司。R. Blatt研究組與AQT公司合作多年,致力于建造Advanced Quantum computation with Trapped IONs (AQTION)。



離子阱實驗系統(tǒng)



本文介紹的演示機系統(tǒng)將離子阱實驗系統(tǒng)從龐大的實驗室平臺集成進了了兩個19英寸服務(wù)器機柜中。這一模塊化的量子計算系統(tǒng)包括離子阱及其真空系統(tǒng),電子電路控制系統(tǒng)和激光系統(tǒng)。作為整個系統(tǒng)中最重要的組成部分,激光系統(tǒng)為離子的電離、囚禁、冷卻、探測、相干操作提供穩(wěn)定的光源。通常,激光系統(tǒng)在實驗室平臺中會占據(jù)大部分的空間,AQT的研究人員通過精妙的設(shè)計,在保證系統(tǒng)的性能沒有損失前提下,將所有的激光光源、頻率穩(wěn)定和高速光開關(guān)都塞進了兩個小小的機柜之中。我們今天介紹的主要對象,729nm超穩(wěn)激光系統(tǒng)就是其中之一。


圖1:演示機的模塊布局圖。光學(xué)機柜主要包含大部分非相干光源和729nm相干光源,以及光纖分發(fā)和光開關(guān)模塊,離子阱機柜包含離子阱和進阱光路。兩個機柜之間通過光纖進行連接。兩個機柜都具備很好的機械和溫度穩(wěn)定性,保證了整個系統(tǒng)的性能。


R. Blatt研究組從20多年前就開始致力于Ca離子量子計算平臺的開發(fā),如今該研究組已完成了DiVincenzo的5大量子計算準則的物理實現(xiàn)。AQT的演示機系統(tǒng)同樣使用Ca40離子作為量子比特的載體,量子比特類型選用光學(xué)量子比特。Ca40離子擁有兩個壽命超過1秒的亞穩(wěn)態(tài)能級D5/2和D3/2,通常將量子比特的1態(tài)取為D5/2態(tài)的某個塞曼能級,將0態(tài)取為離子基態(tài)S1/2的某個塞曼能級。利用一束波長為729nm的激光,可以實現(xiàn)量子態(tài)的相干性操作,從而進一步實現(xiàn)單量子比特門和雙量子比特門。為了保證量子比特在操作過程不丟失相干性,就要求729激光具備極佳的頻率穩(wěn)定性,即要求729激光具備極窄的線寬。由于該S到D的躍遷為電四極躍遷,自然線寬僅為136mHz,這就要求729激光線寬需要窄至Hz量級,以獲得百ms量級的量子比特相干時間。因此729超穩(wěn)激光系統(tǒng)在Ca離子阱系統(tǒng)中扮演著重要的角色。


圖2:基于Ca40離子的光學(xué)量子比特方案。S1/2態(tài)到P1/2態(tài)的電偶極躍遷用于多普勒冷卻和熒光探測,S1/2態(tài)到D5/2態(tài)的電四極躍遷用于離子的邊帶冷卻、初態(tài)制備和相干操作。相干操作所需的729nm激光需要具備Hz量級的激光線寬。



M Squared激光器應(yīng)用于離子阱系統(tǒng)




R. Blatt研究組掌握著Hz量級激光穩(wěn)頻技術(shù)。十幾年前,研究組主要使用其他老一代的環(huán)形腔鈦寶石激光器產(chǎn)生超穩(wěn)729激光。近年來,老一代的單頻鈦寶石激光產(chǎn)品的技術(shù)更新不足可靠性難以滿足要求,同時由于全新設(shè)計的英國M Squared公司的單頻鈦寶石激光器優(yōu)越的性能,該研究組將超穩(wěn)729激光光源的供應(yīng)商轉(zhuǎn)向M Squared公司。



AQT的演示機系統(tǒng)中的729光源使用了M Squared公司的SolsTiS單頻可調(diào)諧鈦寶石激光器。與其他鈦寶石激光器類似,該激光器使用532nm綠光光源(如M Squared Equinox)泵浦Ti3+:Al2O3晶體,利用多種頻率選擇元件,獲得光譜純度較高的基模高斯激光光束。SolsTiS激光器在此基礎(chǔ)上,使用先進的寬帶光學(xué)元件,讓激光器具有極寬的調(diào)諧范圍(700-1000nm),使用超穩(wěn)定的機械和光學(xué)設(shè)計,使得激光具有極低的自由運轉(zhuǎn)線寬(50kHz)極低的功率抖動(0.075% RMS),因此十分適合作為Ca離子阱的729nm主激光光源。


R. Blatt研究組開發(fā)了基于SolsTiS的激光穩(wěn)頻方案。SolsTiS的激光環(huán)形腔中的一面腔鏡貼有快速和慢速兩片壓電陶瓷,快速壓電陶瓷的共振頻率在105kHz,用于壓窄激光線寬,慢速壓電陶瓷具有更大的頻率調(diào)諧范圍,用于保持激光的中心頻率。研究組使用超高精細度超穩(wěn)腔和PDH鎖頻方案,在僅使用SolsTiS自身的反饋通道時,可以將激光線寬壓窄至30Hz量級這得益于SolsTiS極低的自由運轉(zhuǎn)線寬和快速壓電陶瓷提供的高反饋帶寬。研究人員為該超穩(wěn)激光增加了一個額外的AOM用于更快速的反饋,并最終將激光線寬壓窄至3.6Hz。使用該超穩(wěn)激光,配合先進的磁屏蔽系統(tǒng),AQT演示機可將Ca離子光學(xué)量子比特相干時間延長至百毫秒量級,并將兩比特門所需時間縮短到幾十微秒,同時獲得99.7%的保真度。在這樣的條件下,演示機足以支持包含上萬個兩比特門的量子線路的量子操作。此外,演示機利用兩種構(gòu)型完全不同的方案(光纖陣列和AOD)對729激光實現(xiàn)單離子尋址,并保持了高達99%的單離子尋址兩比特門保真度。


圖片

圖3:R. Blatt組使用M Squared SolsTiS鈦寶石激光器作為729超穩(wěn)激光光源。其鎖頻方案利用到了SolsTiS的快速壓電陶瓷和額外的AOM,多級反饋最終獲得3.6Hz的激光線寬。


M Squared激光產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用


奧地利R. Blatt研究組與AQT公司作為M Squared激光產(chǎn)品的資深用戶,其開發(fā)的基于SolsTiS的超穩(wěn)激光鎖頻方案也被多個實驗組所學(xué)習(xí)使用。作為另一全球領(lǐng)先的離子阱量子計算研究組,牛津大學(xué)D. Lucas研究組也大量使用SolsTiS及ECD-X等激光產(chǎn)品,用于其Ca43和Sr88離子阱實驗系統(tǒng)。近年來,隨著M Squared的激光產(chǎn)品在國內(nèi)的迅速推廣,多個量子信息實驗研究組采購使用了SolsTiS等產(chǎn)品,并已完成了多個重要實驗。


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