離子阱，80 個(gè)單 離子 鐿離子漂浮在表面上方。每個(gè)單獨(dú)的離子都可以使用較小的 Paladin 激光束寬度進(jìn)行處理，以進(jìn)行單獨(dú)的量子位操作。

量子信息技術(shù)有可能通過利用量子力學(xué)的獨(dú)特原理來解決經(jīng)典系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)的問題，從而徹底改變計(jì)算、密碼學(xué)和傳感技術(shù)。在 20 世紀(jì) 80 年代，Richard Feynman 首次提出使用量子力學(xué)進(jìn)行計(jì)算的想法后，當(dāng) Peter Shor 引入了一種計(jì)算大量數(shù)字的算法時(shí)，引起了公眾的興趣，該算法構(gòu)成了現(xiàn)代密碼學(xué)的基礎(chǔ)。他表示，量子算法的工作速度比傳統(tǒng)方法快了指數(shù)級(jí)，從而打破了現(xiàn)代 RSA 加密。從這一時(shí)期開始，技術(shù)進(jìn)步加速，進(jìn)一步開發(fā)了算法和應(yīng)用，其潛力推動(dòng)了科學(xué)和工業(yè)的發(fā)展。當(dāng)今的金融市場(chǎng)分析師預(yù)測(cè)，市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到數(shù)十億美元，這與量子計(jì)算機(jī)開發(fā)的全球聯(lián)邦資金和越來越多的初創(chuàng)公司有關(guān)。

“Paladin 使我們能夠注意其他問題，而不必每天早上對(duì)準(zhǔn)激光器。”– Christopher Monroe 博士，杜克大學(xué)電氣和計(jì)算機(jī)工程與物理系教授

在量子計(jì)算機(jī)中，計(jì)算能力主要基于量子疊加和糾纏，比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)更快、更高效地解決復(fù)雜問題?；拘畔卧闪孔游槐硎?，量子位編碼在原子等量子系統(tǒng)的能量水平中，并且與經(jīng)典位相比，量子系統(tǒng)可以處于0到1之間的任意疊加中。當(dāng)今用于實(shí)施量子計(jì)算機(jī)的最有前途的平臺(tái)之一是基于捕獲的原子離子。Christopher Monroe 博士從事該領(lǐng)域的開創(chuàng)性工作已有 30 多年。他是杜克大學(xué)電氣和計(jì)算機(jī)工程與物理系的教授，杜克量子中心主任 ，也是量子計(jì)算行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者和第一家上市公司IonQ的聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席科學(xué)顧問。

使用鐿離子進(jìn)行量子計(jì)算

憑借他最先進(jìn)的技術(shù)，現(xiàn)在可以捕獲多達(dá) 80 個(gè)單離子的離子鏈，這些離子由激光器進(jìn)行電離過程、激光冷卻和相干地操作量子比特躍遷。在所有不同的原子物種中，鐿在電離到 171Yb+ 時(shí)提供類似氫氣的電子結(jié)構(gòu)，其原子轉(zhuǎn)變功能也可以用市售激光驅(qū)動(dòng) 激光器 。由于原子的自旋結(jié)構(gòu)，超細(xì)接地狀態(tài)提供了一個(gè)時(shí)鐘狀態(tài)，相干時(shí)間無限長(zhǎng)，使其成為計(jì)算量子位的理想選擇。Monroe 博士沒有直接用微波源推動(dòng)這種約 12.642812429 GHz 的轉(zhuǎn)變，而是使用 355 nm 激光波長(zhǎng)的受刺激雙光子拉曼轉(zhuǎn)變，因?yàn)榕c微波 場(chǎng)相比，激光器場(chǎng)的電場(chǎng)梯度更高，可以更容易地將動(dòng)量轉(zhuǎn)移到鏈中的單個(gè)離子，從而控制它們的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。將這些拉曼躍遷應(yīng)用于定制序列中的許多離子會(huì)使離子的時(shí)鐘量子位與其運(yùn)動(dòng)耦合，從而產(chǎn)生可產(chǎn)生糾纏的量子門。與單量子位運(yùn)算一起，這為通用量子計(jì)算提供了一套集合。

Coherent Paladin 模式鎖定皮秒激光器。

使用PALADIN激光器對(duì)量子位進(jìn)行完全相干的控制

受控制的量子位旋轉(zhuǎn)需要兩個(gè)拉曼光束之間的光學(xué)相干性。Monroe 博士沒有使用兩個(gè)需要高技術(shù)需求的連續(xù)相位鎖定激光器來保持相位一致性，而是率先使用模式鎖定激光器來完成這項(xiàng)工作，Coherent 高意的 Paladin 激光器非常適合。作為具有皮秒脈沖寬度的模式鎖定激光器，它用作具有所有梳齒固有相對(duì)相干性的光學(xué)頻率梳。Paladin 激光器通過兩個(gè)重疊梳齒的干擾來驅(qū)動(dòng)量子位轉(zhuǎn)換，這兩個(gè)梳齒在量子位分裂時(shí)產(chǎn)生跳動(dòng)音符。由于跳動(dòng)音符取決于 Paladin 激光器的自由運(yùn)行重復(fù)頻率，因此需要鎖相才能與量子位轉(zhuǎn)換產(chǎn)生共振。在論文“量子信息處理的模式鎖定激光器的心搏音穩(wěn)定”中，Monroe 博士展示了如何穩(wěn)定重復(fù)頻率，從而穩(wěn)定量子比特躍遷共振的心搏音，而無需將任何信號(hào)直接耦合到 Paladin 激光系統(tǒng)。相反，通過前饋相位鎖定來穩(wěn)定兩個(gè)梳齒之間的音符頻率，該鎖定使用聲光調(diào)制器校正測(cè)量重復(fù)頻率中的任何漂移。

Paladin 激光器的平均功率為 4W，可提供足夠的功率，以支持系統(tǒng)中尋址的數(shù)百個(gè)離子，同時(shí)配備適當(dāng)?shù)墓馐D(zhuǎn)向光學(xué)元件。由于光束強(qiáng)度和光束指向波動(dòng)也在外部穩(wěn)定，因此用于保持量子位躍遷相干性的其他關(guān)鍵光束參數(shù)也得到了穩(wěn)定。Paladin 激光系統(tǒng)外所有三個(gè)參數(shù)的穩(wěn)定性證明了工業(yè)激光器在利用捕獲離子進(jìn)行量子計(jì)算時(shí)在技術(shù)上要求很高的相干量子位控制中的適用性。

經(jīng)過行業(yè)驗(yàn)證的激光器可靠性

由于 Paladin 激光器在任意量子計(jì)算的執(zhí)行中發(fā)揮著核心作用，因此可靠性是最重要的因素和適用性。過去，量子計(jì)算機(jī)的工作是基于量子物理相關(guān)硬件的發(fā)展，并以復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)室設(shè)置為主，這些設(shè)置受到需要定期重新對(duì)準(zhǔn)的不穩(wěn)定激光器性能的影響。如今，面臨的挑戰(zhàn)是系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)，將其擴(kuò)展到包含穩(wěn)定可靠的激光器系統(tǒng)的市售和工業(yè)可制造系統(tǒng)。Paladin 激光器作為相對(duì)簡(jiǎn)單但極其可靠、高功率和穩(wěn)定的工業(yè)激光器滿足了這些要求。它是基于在相干公司內(nèi)部構(gòu)建可靠紫外激光器多年經(jīng)驗(yàn)的成熟技術(shù)示例，使 Monroe 博士能夠?qū)Ｗ⒂趫?zhí)行量子算法和模擬，而不是花時(shí)間在激光器上進(jìn)行故障排除。

雖然相干公司 Paladin 激光器可能不是未來商用量子計(jì)算機(jī)中集成的終極激光器，但其行業(yè)級(jí)概念支持當(dāng)今量子計(jì)算機(jī)的工程設(shè)計(jì)。事實(shí)上，許多 IonQ 商用量子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的心臟都裝有 Coherent Paladin 激光器。由于激光器在用作具有捕獲 離子 鐿離子的量子計(jì)算的中心操作元件時(shí)具有出色的可靠性，這種成功模型現(xiàn)在也應(yīng)用于量子計(jì)算的其他原子物質(zhì)，例如與波長(zhǎng)為 532 nm 的 Paladin 激光器非常匹配的 離子 鋇離子。

審核編輯 黃宇