基于单个里德堡原子的量子计算装置制造方法及图纸

量子计算装置包括：

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】基于单个里德堡原子的量子计算装置
[0001]本专利技术涉及一种量子处理器，并且更特别地，涉及一种基于单个里德堡原子的量子计算装置。
[0002]在量子计算中，最小的信息元素是量子比特或量子位，其由遵守量子物理学规则的对象体现，并拥有两个基态，通常表示为|0>和|1>。与最小信息元素是等于0或1的常规比特的常规计算相反，量子位能够通过基态的相干叠加获得无限多的可能值。因此，将逻辑运算应用于量子位相当于将其同时应用于状态|0>和状态|1>，而在常规计算中，相当于将其依次应用于比特0，然后应用于比特1，以处理两个可能的值。这种并行性在信息处理中的优势随着信息量的增加而增加。举例来说，操纵10个量子位相当于一次性操纵2
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＝1024个可能值。此外，量子计算基于纠缠效应，其中N个纠缠量子位形成链接系统，并且每个都具有量子态，所述量子态依赖于其他量子态，而不考虑它们之间的距离。因此，修改一个量子位的状态立即修改其他量子位的状态。特别地，纠缠允许通过修改其他量子位将量子位投射到给定状态。然而，量子计算在计算能力方面的潜力受到退相干效应的限制，这会导致量子叠加的损失，从而导致计算能力的损失。退相干主要由环境及其产生的机械、电气等干扰引起。可以经由基于冗余的纠错码来校正退相干。举例来说，形成1个逻辑量子位需要大约10000个物理量子位。
[0003]虽然生产能够操纵大量逻辑量子位的量子计算机仍然是遥远的目标，但包含少量物理量子位(通常低于100)的处理器已经被提出，并已被商业化。此类处理器通常被称为NISQ进程(NISQ代表含噪中尺度量子)，并且通常能够执行超出常规计算机能力的某些任务，例如参见[Preskill 2018]。NISQ处理器特别适用于组合优化问题。NISQ处理器在计算能力方面的性能与采用的量子位的数量直接相关。NISQ处理器可以根据采用的量子位的类型进行分类，其可以是：超导量子位、捕获离子、光子、电子自旋、单个里德堡原子等。
[0004]基于单个里德堡原子的量子处理器技术是用于生产易于具有实际应用价值的NISQ处理器的有希望的候选者。该技术采用光镊阵列，每个光镊能够在高度依赖于环境干扰的时间间隔内捕获最多一个电中性和先前冷却的原子。量子位被编码在沉浸在静磁场中的两个塞曼子能级的每个被捕获的原子中。拉曼脉冲用于将门应用于量子位，即，操纵单个量子位的状态。为了应用两个量子位门(其需要两个原子之间的相互作用)，后者被激发到里德堡能级。具体地，里德堡原子具有高偶极矩的电偶极子，这使得：即使在几十微米的距离上也可能发生强范德华相互作用。[Saffman 2010]提供了使用里德堡原子的量子计算的一般介绍。
[0005]基于单个里德堡原子的现有NISQ处理器采用有限数量(低于50)的里德堡原子，并因此采用量子位。将量子位的数量增加到1000的级别以使用所采用的架构满足对计算能力的不断增长的需求，这带来了一定数量的问题。具体地，常规架构采用二维(2D)光镊阵列，所述光镊通过磁光捕获机制加载有单个原子，并且使用能够将激光束聚焦到尺寸小于1微米的光斑的非球面透镜形成。这种捕获机制的填充率方面的性能约为50％，这意味着需要2000个光镊(例如，以45
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45尺寸的阵列分布)，以获得1000个量子位。组装过程依次包括：(i)触发阵列的元素的原子加载，(ii)定位实际捕获原子的光镊，以及(iii)移动捕获的原
子以形成1000个原子的有序阵列。考虑到两个相邻陷阱之间需要5微米的间距，尺寸为45
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45光镊的正方形阵列对应于每侧超过200微米的正方形区域。典型的非球面透镜的特征例如为，数值孔径(NA)等于0.5，并且焦距为10毫米，不能覆盖每侧200微米的区域，而没有几何像差，即，特别是诸如彗差的像差，导致形成几微米的光斑。此外，产生光镊所需的光功率为5mW量级，这对应于10W量级的总激光束功率。特别地，这导致影响量子处理器的性能的热问题。
[0006]此外，组装原子阵列所需的时间随着要组装的原子的数量线性增加，每个原子所需的平均时间为1毫秒。基于单个里德堡原子的常规NISQ处理器架构在10
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mbar量级的残余气体压力下在超高真空中操作。在这样的真空中，由于与残余气体的原子碰撞，原子阵列的寿命受到限制，并且根据时间常数为10/N秒的递减指数定律而变化。因此，一旦N超过约100，组装时间超过配置的寿命，使得组装不可能。
[0007]文件[Leseleuc de Kerouara 2018]和[Barredo 2018]公开了形成捕获的原子的三维阵列的能力，以及使用它们通过里德堡态执行量子模拟的能力。捕获的原子的数量可以达到100。
[0008][Leseleuc de Kerouara 2018]还设想了通过将捕获的原子置于低温环境中形成更大尺寸的捕获的原子阵列的可能性。然而，没有给出低温里德堡原子量子处理器的实际实现的技术细节。
[0009]因此，需要一种改进的NISQ处理器架构，所述架构采用单个里德堡原子，能够以大量物理量子位(典型地为1000个量子位的级别)运行。
[0010]根据本专利技术，这个目标通过联合使用由灰色黏团(gray molasses)(而不是简单的磁光阱)加载的三维光镊阵列和低温环境(典型地在4K)来实现。低温环境的使用带来了相当大的技术困难，通过使用特定的光机设置(opto
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mechanical setup)可以克服这些困难。此外，有利地，由光偏转器操纵的敏捷激光束用于俘获的原子的拉曼操纵、寻址和里德堡激发；具体地，该技术被证明特别容易扩展到大尺寸阵列。
[0011]因此，本专利技术的一个主题是一种量子计算装置，包括：
[0012]●
原子捕获单元，其包括适于产生捕获光束的第一激光源、被配置为调制所述捕获光束的空间光调制器、被配置为聚焦由空间光调制器调制的捕获光束的第一非球面透镜、以及沿着给定光轴面对第一非球面透镜放置的第二非球面透镜，所述透镜适于准直由第一非球面透镜聚焦的捕获光束，空间光调制器被配置为与第一非球面透镜相互作用，以在第一非球面透镜与第二非球面透镜之间的空间中产生三维光镊阵列，每个光镊能够捕获最多一个原子；
[0013]●
原子源，其被配置为产生指向包含三维光镊阵列的空间的原子束；
[0014]●
磁光系统，其用于冷却光束的原子，被配置为在包含三维光镊阵列的空间中产生能够被所述光镊捕获的原子云；以及
[0015]●
用于将量子逻辑门应用于被捕获在三维光镊阵列的光镊中的原子的系统；以及
[0016]●
超高真空室，其至少包含第一非球面透镜和第二非球面透镜、以及两个所述透镜之间的空间；以及
[0017]●
低温恒温器，其用于在超高真空室中建立低温温度；
[0018]其特征在于：
[0019]●
用于冷却光束的原子的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种量子计算装置，包括：原子捕获单元，所述原子捕获单元包括适于产生捕获光束(FP)的第一激光源(SL1)、被配置为调制所述捕获光束的空间光调制器(SLM)、被配置为聚焦由所述空间光调制器调制的捕获光束的第一非球面透镜(LA1)、以及沿着给定光轴面对所述第一非球面透镜放置的第二非球面透镜(LA2)，所述透镜适于准直由所述第一非球面透镜聚焦的捕获光束，所述空间光调制器被配置为与所述第一非球面透镜相互作用，以在所述第一非球面透镜与所述第二非球面透镜之间的空间中产生三维光镊阵列(M3P)，每个所述光镊能够捕获最多一个原子；原子源(SAT)，所述原子源被配置为产生指向包含所述三维光镊阵列的空间的原子束(JA)；磁光系统(SM)，所述磁光系统用于冷却所述光束的原子，被配置为在包含所述三维光镊阵列的空间中产生能够被所述光镊捕获的原子云；以及用于将量子逻辑门应用于被捕获在所述三维光镊阵列的光镊中的原子的系统(SPQ)；以及超高真空室(EV)，所述超高真空室至少包含所述第一非球面透镜和所述第二非球面透镜、以及两个所述透镜之间的空间；以及低温恒温器，所述低温恒温器用于在所述超高真空室中建立低温温度；其特征在于：用于冷却所述光束的原子的磁光系统是灰色黏团型的；并且所述原子捕获单元包括面对放置的两个透镜保持筒(B1,B2)，每个筒保持所述非球面透镜中的一个，其间隙在与所述筒的纵向轴线垂直的平面中，与所述透镜的光轴重合，所述间隙足以补偿在从环境温度到所述低温温度的过程中所述筒与所述透镜之间的热收缩差。2.如权利要求1所述的装置，其中，每个所述透镜保持筒在一端处具有止动件(BF)，并包含弹簧(RC)，所述弹簧适于在所述非球面透镜上施加沿所述纵向轴线定向的力，将所述透镜压靠着所述止动件。3.如前述权利要求中任一项所述的装置，其中，每个所述非球面透镜在其面上具有导电涂层(RCT)，所述导电涂层在所述捕获光束的波长下是透明的，所述涂层的厚度小于100纳米。4.如前述权利要求中任一项所述的装置，还包括相机(CAMP)，所述相机与所述第二非球面透镜相互作用，以获取由三维阵列的光镊捕获的原子的图像。5.如前述权利要求中任一项所述的装置，还包括组装单元(UA)，所述组装单元被配置为在所述三维光镊阵列的平面之一中创建和移动可移动光镊。6.如权利要求5所述的装置，其中，所述组装单元包括：第二激光源(SL2)，所述第二激光源被配置为产生组装光束；具...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒂埃里，
申请(专利权)人：光学与应用光学研究所，
类型：发明
国别省市：