使用相干公司的 Paladin 激光器进行基于捕获离子的量子计算

量子信息技术有可能通过利用量子力学的独特原理来解决经典系统无法实现的问题，从而彻底改变计算、密码学和传感技术。在 20 世纪 80 年代，Richard Feynman 首次提出使用量子力学进行计算的想法后，当 Peter Shor 引入了一种计算大量数字的算法时，引起了公众的兴趣，该算法构成了现代密码学的基础。他表示，量子算法的工作速度比传统方法快了指数级，从而打破了现代 RSA 加密。从这一时期开始，技术进步加速，进一步开发了算法和应用，其潜力推动了科学和工业的发展。当今的金融市场分析师预测，市场规模将达到数十亿美元，这与量子计算机开发的全球联邦资金和越来越多的初创公司有关。

在量子计算机中，计算能力主要基于量子叠加和纠缠，比传统计算机更快、更高效地解决复杂问题。基本信息单元由量子位表示，量子位编码在原子等量子系统的能量水平中，并且与经典位相比，量子系统可以处于0到1之间的任意叠加中。当今用于实施量子计算机的最有前途的平台之一是基于捕获的原子离子。Christopher Monroe 博士从事该领域的开创性工作已有 30 多年。他是杜克大学电气和计算机工程与物理系的教授，杜克量子中心主任 ，也是量子计算行业领导者和第一家上市公司IonQ的联合创始人兼首席科学顾问。

使用镱离子进行量子计算

凭借他最先进的技术，现在可以捕获多达 80 个单离子的离子链，这些离子由激光器进行电离过程、激光冷却和相干地操作量子比特跃迁。在所有不同的原子物种中，镱在电离到 171Yb+ 时提供类似氢气的电子结构，其原子转变功能也可以用市售激光驱动 激光器 。由于原子的自旋结构，超细接地状态提供了一个时钟状态，相干时间无限长，使其成为计算量子位的理想选择。Monroe 博士没有直接用微波源推动这种约 12.642812429 GHz 的转变，而是使用 355 nm 激光波长的受刺激双光子拉曼转变，因为与微波 场相比，激光器场的电场梯度更高，可以更容易地将动量转移到链中的单个离子，从而控制它们的运动状态。将这些拉曼跃迁应用于定制序列中的许多离子会使离子的时钟量子位与其运动耦合，从而产生可产生纠缠的量子门。与单量子位运算一起，这为通用量子计算提供了一套集合。

使用PALADIN激光器对量子位进行完全相干的控制

受控制的量子位旋转需要两个拉曼光束之间的光学相干性。Monroe 博士没有使用两个需要高技术需求的连续相位锁定激光器来保持相位一致性，而是率先使用模式锁定激光器来完成这项工作，Coherent 高意的 Paladin 激光器非常适合。作为具有皮秒脉冲宽度的模式锁定激光器，它用作具有所有梳齿固有相对相干性的光学频率梳。Paladin 激光器通过两个重叠梳齿的干扰来驱动量子位转换，这两个梳齿在量子位分裂时产生跳动音符。由于跳动音符取决于 Paladin 激光器的自由运行重复频率，因此需要锁相才能与量子位转换产生共振。在论文“量子信息处理的模式锁定激光器的心搏音稳定”中，Monroe 博士展示了如何稳定重复频率，从而稳定量子比特跃迁共振的心搏音，而无需将任何信号直接耦合到 Paladin 激光系统。相反，通过前馈相位锁定来稳定两个梳齿之间的音符频率，该锁定使用声光调制器校正测量重复频率中的任何漂移。

Paladin 激光器的平均功率为 4W，可提供足够的功率，以支持系统中寻址的数百个离子，同时配备适当的光束转向光学元件。由于光束强度和光束指向波动也在外部稳定，因此用于保持量子位跃迁相干性的其他关键光束参数也得到了稳定。Paladin 激光系统外所有三个参数的稳定性证明了工业激光器在利用捕获离子进行量子计算时在技术上要求很高的相干量子位控制中的适用性。

经过行业验证的激光器可靠性

由于 Paladin 激光器在任意量子计算的执行中发挥着核心作用，因此可靠性是最重要的因素和适用性。过去，量子计算机的工作是基于量子物理相关硬件的发展，并以复杂的实验室设置为主，这些设置受到需要定期重新对准的不稳定激光器性能的影响。如今，面临的挑战是系统工程设计，将其扩展到包含稳定可靠的激光器系统的市售和工业可制造系统。Paladin 激光器作为相对简单但极其可靠、高功率和稳定的工业激光器满足了这些要求。它是基于在相干公司内部构建可靠紫外激光器多年经验的成熟技术示例，使 Monroe 博士能够专注于执行量子算法和模拟，而不是花时间在激光器上进行故障排除。

虽然相干公司 Paladin 激光器可能不是未来商用量子计算机中集成的终极激光器，但其行业级概念支持当今量子计算机的工程设计。事实上，许多 IonQ 商用量子计算机系统的心脏都装有 Coherent Paladin 激光器。由于激光器在用作具有捕获 离子 镱离子的量子计算的中心操作元件时具有出色的可靠性，这种成功模型现在也应用于量子计算的其他原子物质，例如与波长为 532 nm 的 Paladin 激光器非常匹配的 离子 钡离子。

参考文献

1. R. Islam、W. C. Campbell、T. Choi、S. M. Clark、S. Debnath、E. E. Edwards、B. Fields、D. Hayes、D. Hucul、I. V. Inlek、K. G. Johnson、S. Korenblit、A. Lee、K. W. Lee、T. A. Manning、D. N. Matsukevich、J. Mizrahi、Q. Quraishi、C. Senko、J. Smith 和 C. Monroe Beat 注意到量子信息处理模式锁定激光器稳定光学元件，39， 11 （2014）