ОПТИЧЕСКИЙ ИНТЕРФЕЙС ДЛЯ ИОННОГО КВАНТОВОГО РЕГИСТРА Российский патент 2023 года по МПК G06N10/40 G02B27/16 

Оптический интерфейс для ионного квантового регистра относится к квантовой технике и может быть использован для оптической индивидуальной адресации кубитов в ионном квантовом регистре.

Известно устройство адресации, описанное в [Pernthaler, L.F. (2019). Single Ion Addressing of up to 50 Ions (Doctoral dissertation, University of Innsbruck)], включающее акустооптический дефлектор и объектив, обеспечивающий адресацию одиночных ионов в квантовом регистре.

Недостатком устройства является высокий уровень взаимопроникновения каналов адресации за счет искажения пучка при прохождении через акустооптический дефлектор, а также необходимость установки всей лазерной системы на единую платформу с вакуумной камерой для обеспечения механической стабильности.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному является устройство, описанное в [Pogorelov, I., Feldker, Т., Marciniak, С.D., Postler, L., Jacob, G., Krieglsteiner, O., … & Monz, T. (2021). Compact ion-trap quantum computing demonstrator. PRX Quantum, 2(2), 020343], включающее набор оптоволоконных кабелей и объектив, проецирующих торцы волокон на ионы в квантовом регистре. Данное устройство обеспечивает возможности масштабирования за счет использования оптоволоконных кабелей для подвода адресующего оптического излучения и гибкость конструкции, а также снижает паразитное влияние адресующих каналов друг на друга в сравнении с решениями, не использующими оптоволоконные кабели.

Недостатком наиболее близкого технического решения являются высокие требования к апертуре оптического доступа к ионам, которое, как правило, не может быть удовлетворено за счет ограниченного диаметра используемых вакуумных фланцев в вакуумных камерах на ионных квантовых регистрах.

Действительно, ввиду размеров оптоволоконного кабеля порядка сотни микрон, оптическая система должна обладать крайне высоким увеличением для отображения торцов оптоволоконного кабеля на ионы в квантовом регистре, расстояния между которыми составляют порядка нескольких микрон. Рабочее расстояние объектива со стороны ионов ограничено физическими размерами ионной ловушки и не может составлять менее порядка двадцати миллиметров, и таким образом возникает необходимость использования длиннофокусной линзы со стороны оптоволоконных кабелей для обеспечения требуемого увеличения. За счет расходимости излучения, выходящего из оптоволоконного кабеля, требуемая апертура оказывается более 100 мм, что является труднореализуемым ввиду ограничений используемых вакуумных камер для ионных квантовых регистров.

Целью предлагаемого изобретения является обеспечение высокой эффективности доставки излучения с использованием набора оптоволоконных кабелей для оптической адресации ионов в квантовом регистре.

Техническим результатом является уменьшение требуемой для обеспечения высокой эффективности апертуры доступа к ионам.

Технический результат достигается тем, что между набором оптоволоконных кабелей и объективом введен набор микролинз.

Сущность изобретения поясняется чертежом:

На фиг. 1 - оптический интерфейс для ионного квантового регистра.

На чертежах обозначены:

1 - набор оптоволоконных кабелей;

2 - подложка;

3 - объектив;

4 - набор микролинз.

Устройство содержит набор одномодовых оптоволоконных кабелей 1 с общим числом кабелей, равным числу ионов в квантовом регистре, закрепленных на подложке 2 механически или с помощью адгезива, таким образом, чтобы торцы кабелей находились в одной плоскости, а расстояние между кабелями в наборе было пропорциональным расстоянию между ионами в квантовом регистре. Подложка 2 устанавливается таким образом, чтобы линия соединяющая торцы волокон из набора 1 была параллельная ионам в квантовом регистре. Перед торцами волокон из набора 1 установлен набор микролинз 4, формирующий мнимое изображение торцов волокон. Мнимое изображения торцов волокон проецируется на ионы в квантовом регистре с помощью объектива 3 с разрешающей способностью превышающей межионное расстояние, составляющее от 2 до 20 мкм. Положение и увеличение объектива 3 выбираются таким образом, чтобы каждый торец волокна из набора 1 проецировался на ион и квантового регистра, при этом соседние торцы проецируются на соседние ионы. Адресующее оптическое излучение заводится в противоположные торцы оптических кабелей.

Предложенный интерфейс работает следующим образом.

Проведение однокубитных и двухкубитных квантовых операций на ионном квантовом регистре может быть реализовано за счет оптической адресации ионов, захваченных в ионную ловушку, посредством фокусировки лазерного излучения на управляемых ионах с заданными характеристиками частоты излучения, фазовых соотношений и длительностей импульсов лазерного излучения. Распространенными решениями для осуществления индивидуальной адресации является использование многоканальных акустооптических модуляторов и акустооптических дефлекторов, которые позволяют формировать лазерные импульсы, управляемые радиочастотным сигналом, ввиду возможности адресовать большое количество ионов, до 32 для многоканальных модуляторов и до 50 для дефлекторов, а также высокой скорости работы этих устройств. На выходе данных устройств устанавливается объектив, осуществляющий фокусировку параллельных пучков в точку или несколько точек, где располагаются ионы. При этом размеры формируемого пятна в области отдельного иона должны быть меньшими, чем расстояние между соседними ионами, которое может составлять от одного до порядка десяти микрон. Контроль параметров лазерных импульсов, таких как частота излучения и длительность импульсов осуществляется за счет изменения управляющего сигнала модулятора или дефлектора, лежащего в радиочастотном диапазоне.

Побочным эффектом использования акустооптических устройств является искажения профиля лазерного пучка и появление в профиле пучка побочных максимумов. При проецировании искаженного пучка на отдельные ионы, возможно появление паразитной засветки соседних ионов, что приводит к изменению квантового состояния и, как следствие, ухудшению надежности квантового регистра. Решение этой проблемы возможно с введением дополнительного пространственного фильтра после дефлектора или модулятора, исключающего паразитное влияние. В качестве такого фильтра, в частности, может быть использован оптоволоконный кабель или массив оптоволоконных кабелей, так как одномодовые оптоволоконные кабели пропускают только нулевую Гауссову пространственную моду излучения на рабочей длине волны.

Предлагаемое устройство включает в себя набор оптоволоконных кабелей, число которых совпадает с числом адресуемых ионов в регистре. Концы оптоволоконных кабелей располагаются на подложке и могут быть зафиксированы либо механически, либо приклеены, таким образом, чтобы торцы располагались в одной плоскости, а расстояние между кабелями было пропорционально расстоянию между соответствующими им ионами в регистре. С помощью объектива свет, пропускаемый через оптоволоконные кабели, фокусируется на ионах в регистре. Противоположные торцы волокон могут быть адресованы посредством одного или нескольких многоканальных акустооптических модуляторов, дефлекторов, гальванических зеркал или подключены к набору одноканальных волоконных акустооптических модуляторов.

Помимо обеспечения низкого уровня паразитной засветки на соседних ионах такая конструкция позволяет реализовать модульную структуру всей установки для квантовых вычислений на ионном регистре. Ввиду очень высоких требований к позиционированию пучка перетяжки на ионе в квантовом регистре, порядка 1 мкм, необходимо обеспечение механической стабильности всей лазерной системы, обеспечивающей адресацию ионов, совместно с вакуумной камерой, в которой расположен квантовый регистр. Характерная площадь, занимаемая такой установкой, составляет от 1 м * 2 м, что затрудняет обеспечение высокой механической стабильности. Дополнение такой системы предлагаемым интерфейсом позволяет механически развязать лазерную систему и вакуумную камеру, содержащую квантовый регистр и конвертировать механическую нестабильность, возникающую в лазерной системе и приводящую к флуктуациям положения пучка на стороне лазерной системы, из нестабильности положения в нестабильность мощности на стороне вакуумной камеры, которая может легко быть скомпенсирована с использованием обратной связи.

Проведем теоретическое обоснование работы конструкции для прототипа [Pogorelov, I., Feldker, Т., Marciniak, С.D., Postler, L., Jacob, G., Krieglsteiner, O., … & Monz, Т. (2021). Compact ion-trap quantum computing demonstrator. PRX Quantum, 2(2), 020343] и предлагаемого устройства. Для этого рассмотрим систему из квантового регистра, минимальное расстояние между ионами в котором составляет h=2 мкм (для ионов в ловушке Пауля - это расстоянием между ионами, наиболее близкими к геометрическому центру ловушки). Торцы волокон могут быть расположены на минимальном расстоянии, определяется параметрами волокна, а именно диаметром части «cladding», которая для распространенных одномодовых волокон может быть 125 мкм, 250 мкм и более. Примем это расстояние равным d=125 мкм. При выходе из волокна свет распространяется в соответствии с Гауссовой модой, и расходимость пучка определяется размером моды на торце волокна MFD, которая составляет от 3 до 5 мкм в ультрафиолетовой и видимой областях спектра для одномодовых волокон. Не ограничивая общности объектив для проецирования можно рассматривать как двухлинзовый, причем в фокальной плоскости первой линзы с фокусным расстоянием ƒ₁ находятся торцы волокон, а в фокальной плоскости второй линзы с фокусным расстоянием ƒ₂ находятся адресуемые ионы. Для реализации адресации объектив должен отобразить торцы на ионы, и, таким образом, увеличение оптической системы должно составить . Характерный диаметр пучка D₁, получаемый после первой линзы, определяется дифракционной расходимостью пучка и фокусным расстоянием ƒ₁. Технически ограничивающими факторами в данной модели является невозможность располагать объектив ближе, чем 20-30 мм от ионов в квантовом регистре, ввиду того, что область вокруг ионов частично занята ловушкой. Оптимально располагать объектив как можно ближе, так как в этом случае требуется наименьший диаметр пучка для достижения требуемого размера перетяжки менее межионного расстояния. Примем f₂=30 мм, таким образом, ƒ₁=1875 мм, D₁ ≈ 250 мм при длине волны 435 нм, характерной для работы с оптическим кубитом на ионе иттербия. Пучок далее должен быть сфокусирован на одном из ионов, причем размер пятна перетяжки пучка должен составить не более d - расстояния между соседними ионами - для обеспечения низкой паразитной засветки. При этом мы не учитываем геометрические аберрации пучка, которые в эквивалентном объективе могут быть скомпенсированы до уровня порядка 1-2 мкм. Дифракционный предел фокусировки определяется диаметром пучка D, падающего на вторую линзу и составляет , но не менее . Таким образом, для текущей системы размеры пятна перетяжки определяются преимущественно геометрическими аберрациями и удовлетворяют требованию к размеру меньшему, чем межионное расстояние.

Существенным недостатком такого интерфейса является очень большой диаметр пучка D_l, который необходимо коллимировать выходной линзой. Апертура доступа к ионам может быть ограничена фланцами вакуумной камеры, что приведет к появлению дифракционных колец, обеспечивающих паразитную засветку, и снижению мощности фокусируемого излучения. Характерные диаметры оптических окошек, применяемых в вакуумных камерах, используемых для ионных квантовых регистров, составляют от 10 мм до 80 мм. Увеличение межионного расстояния приводит к увеличению G и снижению требуемой апертуры D₁, однако при этом снижается скорость выполнения квантовых операций за счет уменьшения взаимодействия между ионами, что является нежелательным. Для уменьшения требуемой апертуры доступа в устройстве используется массив микролинз, устанавливаемый напротив набора оптоволоконных кабелей. Линзы в массиве установлены таким образом, чтобы торцы волокон находились на оптических осях соответствующих им линз. Рассмотрим массив микролизн с фокусных расстоянием ƒ₃=1 мм, расположенных на расстоянии а=0.8 мм от торцов волокон. Размер линз в массиве соответствует шагу микролинз, который составляет не менее 125 мкм и определяется расстояниями между торцами волокон. Размер пятна, формируемого одиночным оптоволоконным кабелем на соответствующей линзе оказывается D₂=100 мкм, что ниже доступной апертуры микролинзы, следовательно, не происходит обрезания пучка. С помощью микролинз формируется мнимое изображение торцов волокон, при этом снижается расходимость пучков. Первая линза теперь располагается таким образом, чтобы в фокусе находилось мнимое изображение. Диаметр пучка за счет уменьшения угла расходимости в такой системе снижается с D₁=250 мм до D₃=48 мм, что удовлетворяет требованиям к доступной апертуре.

Оптический интерфейс для ионного квантового регистра относится к квантовой технике и может быть использован для оптической индивидуальной адресации кубитов в ионном квантовом регистре. Оптический интерфейс для ионного квантового регистра состоит из набора одномодовых оптоволоконных кабелей, размещенных на подложке, и объектива, осуществляющего фокусировку пучков лазерного излучения с торцов оптоволоконных кабелей на ионы, при этом между набором одномодовых оптоволоконных кабелей, число которых равно числу ионов в квантовом регистре, и объективом введен набор микролинз. Техническим результатом является уменьшение требуемой для обеспечения высокой эффективности апертуры доступа к ионам. 1 ил.

Оптический интерфейс для ионного квантового регистра, состоящий из набора одномодовых оптоволоконных кабелей, размещенных на подложке, и объектива, осуществляющего фокусировку пучков лазерного излучения с торцов оптоволоконных кабелей на ионы, при этом между набором одномодовых оптоволоконных кабелей, число которых равно числу ионов в квантовом регистре, и объективом введен набор микролинз.