本专利涉及量子计算,并且更具体地,涉及准备和演化原子阵列。
背景技术:
技术实现思路
1、根据一些实施方案,本文描述的系统和方法涉及:将原子排列成1d和/或2d阵列;例如使用本文所述的激光操纵技术和高保真激光系统来将原子激发成里德伯态并使原子阵列演化;以及观察所得的最终状态。此外,可以对本文所述的系统和方法进行改进,诸如提供对组装的原子阵列的高保真度和相干控制。讨论了可以使用本文所述的系统和方法解决的示例性问题。
2、在一个或多个实施方案中,一种方法包括:以第一阵列状态形成原子的阵列,其中所述形成包括:用多个离散的可调节声学音调频率来激发晶体;使激光穿过所述晶体以产生多个限制区域,其中每个声学音调频率对应于单个原子的单独限制区域;在所述多个限制区域中的至少两个中捕获至少两个原子;与所述离散的可调节声学音调频率关联来以识别包含所述捕获的原子的所述限制区域;以及通过扫掠至少一个关联的可调节声学音调频率来调节所述捕获的原子中的至少两个之间的间距;通过使所述捕获的原子中的至少一些经受光子能量以使所述捕获的原子中的至少一些转变成激发态来使处于所述第一阵列状态的所述多个原子演化为处于第二阵列状态的多个原子;以及观察处于所述第二阵列状态的所述多个原子。
3、在一个或多个实施方案中,所述激发态是里德伯态。
4、在一个或多个实施方案中,处于所述第一阵列状态的所述多个原子包括7至51个原子。
5、在一个或多个实施方案中,使所述多个原子演化包括在使所述原子中的至少一些经受光子能量之前,将处于所述第一阵列状态的所述原子中的至少一些准备成基态的塞曼子能级。
6、在一个或多个实施方案中,将处于所述第一阵列状态的所述原子准备成所述基态的塞曼子能级包括在磁场中进行光泵浦。
7、在一个或多个实施方案中,使所述原子中的至少一些经受光子能量包括施加具有两种不同波长的光,并且其中所述将所述原子中的所述至少一些转变成激发态包括双光子跃迁。
8、在一个或多个实施方案中,所述两种不同波长是大约420nm和大约1013nm。
9、在一个或多个实施方案中,所述方法还包括施加具有第三波长的相位门。
10、在一个或多个实施方案中,所述第三波长是大约809nm。
11、在一个或多个实施方案中,使所述原子中的所述至少一些经受光子能量包括施加两个半π脉冲。
12、在一个或多个实施方案中,使所述原子中的所述至少一些经受光子能量还包括在所述两个半π脉冲之间施加π脉冲。
13、在一个或多个实施方案中,捕获所述至少两个至少两个原子包括从原子云中捕获至少两个原子,以及使来自所述原子云的未被捕获在所述多个限制区域中的一个中的原子分散。
14、在一个或多个实施方案中,所述晶体和所述激光构成第一控制声光偏转器(aod),并且其中捕获所述至少两个原子包括从保持阱阵列捕获原子,所述保持阱阵列具有在二维上间隔开的至少三个阱。
15、在一个或多个实施方案中,通过至少一个保持aod、空间光调制器(slm)和光学晶格中的至少一个来生成所述保持阱阵列。
16、在一个或多个实施方案中,所述方法还包括第二控制aod,所述第二控制aod被配置成与所述第一控制aod成交叉关系,并且其中:与所述离散的可调节声学音调频率关联来识别包含所述捕获的原子的所述限制区域包括与所述第一控制aod和所述第二控制aod的离散的可调节声学音调频率关联,并且调节所述捕获的原子中的所述至少两个之间的所述间距包括扫掠所述第一控制aod或所述第二控制aod的至少一个关联的可调节声学音调频率。
17、在一个或多个实施方案中,调节所述捕获的原子中的所述至少两个之间的所述间距还包括调节行中的多个原子的位置。
18、在一个或多个实施方案中,所述方法还包括:以第三阵列状态形成与所述第一原子阵列相邻的第二原子阵列,其中所述形成包括:用多个第二离散的可调节声学音调频率激发第二晶体;使第二激光穿过所述第二晶体以形成多个第二限制区域,其中每个第二声学音调频率对应于单个原子的单独第二限制区域;在所述多个第二限制区域中的至少两个中捕获至少两个第二原子;与所述第二离散的可调节声学音调频率关联来识别包含所述捕获的原子的所述第二限制区域;以及通过扫掠至少一个第二关联的可调节声学音调频率来调节所述捕获的第二原子中的至少两个之间的间距;其中通过使所述捕获的原子中的至少一些经受光子能量以使所述捕获的原子中的所述至少一些转变成所述激发态来使处于所述第一阵列状态的所述多个原子演化为处于第二阵列状态的多个原子还包括通过使所述第二捕获的原子中的至少一些经受光子能量以使所述第二捕获的原子中的至少一些转变成激发态来使处于所述第三阵列状态的所述多个第二原子演化为处于第四阵列状态的多个第二原子;并且其中所述观察处于所述第二阵列状态的所述多个原子还包括观察处于所述第四阵列状态的所述多个第二原子。
19、在一个或多个实施方案中,通过扫掠至少一个第二关联的可调节声学音调频率来调节所述捕获的原子中的至少两个之间的所述间距包括对量子计算问题进行编码;将处于第一阵列状态的所述多个原子演化为处于所述第二阵列状态的所述多个原子产生对所述量子计算问题的解决方案;并且观察处于所述第二阵列状态的所述多个原子包括读出对所述量子计算问题的所述解决方案。
20、在一个或多个实施方案中,所述量子计算问题包括伊辛(ising)问题和最大独立集(mis)优化问题中的至少一个。
21、在一个或多个实施方案中,一种系统包括:限制系统,所述限制系统用于以第一阵列状态来排列原子阵列,所述限制系统包括:晶体;可调节声学音调频率施加源,其被配置成选择性地向所述晶体施加多个离散的可调节声学音调频率;以及激光源,所述激光源被布置成使光穿过所述晶体以形成多个限制区域,其中每个声学音调频率对应于单独的限制区域;原子云的来源,所述原子云能够被定位成与所述多个限制区域至少部分地重叠;激发源,所述激发源用于使处于所述第一阵列状态的所述多个原子中的至少一些演化为处于所述第二阵列状态的多个原子,所述激发源包括至少一个光子能量源;观察系统,所述观察系统用于观察处于所述第二阵列状态的所述多个原子。
22、在一个或多个实施方案中,所述激发源被配置成将处于所述第一阵列状态的所述多个原子中的至少一些激发成里德伯态。
23、在一个或多个实施方案中,处于所述第一阵列状态的所述多个原子包括5至51个原子。
24、在一个或多个实施方案中,所述激发源被配置成在使所述原子中的至少一些经受光子能量之前,将处于所述第一阵列状态的所述多个原子中的至少一些激发成基态的塞曼子能级。
25、在一个或多个实施方案中,所述激发源还包括光泵浦系统和磁场生成器。
26、在一个或多个实施方案中,所述至少一个光子能量源包括具有第一波长和第二波长的光源,以用于产生处于所述第一阵列状态的所述多个原子中的所述至少一些的双光子跃迁。
27、在一个或多个实施方案中,所述两种不同波长是大约420nm和大约1013nm。
28、在一个或多个实施方案中,所述至少一个光子能量源包括具有第三波长的来源以用于施加相位门。
29、在一个或多个实施方案中,所述第三波长是大约809nm。
30、在一个或多个实施方案中,所述激发源被配置成施加两个半π脉冲。
31、在一个或多个实施方案中,所述激发源被配置成在所述两个半π脉冲之间施加π脉冲。
32、在一个或多个实施方案中,所述限制系统是第一控制声光偏转器(aod),并且其中所述系统还包括保持阱阵列,所述保持阱阵列具有在二维上间隔开的至少三个阱,所述保持阱阵列由保持阱来源生成。
33、在一个或多个实施方案中,所述保持阱来源包括至少一个保持aod、空间光调制器(slm)和光学晶格中的至少一个。
34、在一个或多个实施方案中,所述系统还包括与所述第一控制aod成交叉关系的第二控制aod,其中所述第一控制aod控制光束在第一方向上的偏转,并且所述第二控制aod控制来自所述第一控制aod的光束在不同于所述第一方向的第二方向上的偏转。
35、在一个或多个实施方案中,所述限制系统是第一控制声光偏转器(aod),并且其中所述系统还包括与所述第一控制aod成堆叠关系的第二控制aod,其中所述第一控制aod被配置成在具有第一方向的第一阵列中产生多个限制区域,并且所述第二控制aod控件被配置成在基本上平行于第一方向的第二阵列中产生多个限制区域。
36、在一个或多个实施方案中,一种用于控制捕获的原子的阵列的系统包括:激光源,所述激光源用于产生激光输出;激光源控制器,所述激光源控制器控制所述激光源;庞德-德瑞福-霍尔(pdh)锁定,所述pdh锁定与所述激光源光学耦合,所述pdh锁定接收所述激光输出中的至少一些并且将反馈信号提供给所述激光源控制器以便稳定所述激光输出;参考光学腔,所述参考光学腔光学耦合到所述激光源,所述参考光学腔被配置成接收所述激光输出中的至少一些并且透射参考光学腔输出,所述参考光学腔输出对应于所述激光输出中的所述至少一些的落入参考光学腔透射窗内的一部分;以及光学隔离器,所述光学隔离器光学耦合到所述参考光学腔,所述光学隔离器被配置成分离所述参考光学腔输出并且将所述分离的参考光学腔输出的至少一部分提供给法布里-珀罗激光二极管以对所述参考光学腔输出进行注入锁定,其中所述光学隔离器将注入锁定的光提供给所述捕获的原子中的至少一些。
37、在一个或多个实施方案中,所述pdh还包括光电检测器,所述光电检测器接收所述激光输出中的至少一些并且将光电检测器信号输出到所述激光控制器。
38、在一个或多个实施方案中,所述系统还包括第二激光源,以用于提供与所述第一激光输出的波长不同的第二激光输出。
39、在一个或多个实施方案中,所述系统还包括:第二激光源控制器,所述第二激光源控制器控制所述第二激光源;第二庞德-德瑞福-霍尔(pdh)锁定,所述第二pdh锁定与所述第二激光源光学耦合,所述第二pdh锁定接收所述第二激光输出中的至少一些并且将第二反馈信号提供给所述第二激光源控制器以便稳定所述第二激光输出;第二参考光学腔,所述第二参考光学腔光学耦合到所述第二激光源,所述第二参考光学腔被配置成接收所述第二激光输出中的至少一些并且透射第二参考光学腔输出,所述第二参考光学腔输出对应于所述第二激光输出中的所述至少一些的落入第二参考光学腔透射窗内的一部分;以及第二光学隔离器,所述第二光学隔离器光学耦合到所述第二参考光学腔,所述第二光学隔离器被配置成分离所述第二参考光学腔输出并且将所述分离的第二参考光学腔输出的至少一部分提供给第二法布里-珀罗激光二极管以对所述第二参考光学腔输出进行注入锁定,其中所述第二光学隔离器将第二注入锁定的光提供给所述捕获的原子中的至少一些。
40、在一个或多个实施方案中,所述第二激光源产生大约1013nm的光。
41、在一个或多个实施方案中,所述第二参考光学腔和所述第一参考光学腔是相同的元件。
42、在一个或多个实施方案中,所述第一注入锁定的光和所述第二注入锁定的光以反向传播构型提供给所述捕获的原子中的所述至少一些。
43、在一个或多个实施方案中,所述第一激光源产生大约420nm的光。
44、在一个或多个实施方案中,所述系统还包括光学器件,所述光学器件光学地定位在所述光学隔离器与所述捕获的原子的所述阵列之间,所述光学器件被配置成将所述注入锁定的光聚焦到所述捕获的原子中的所述至少一些上。
45、在一个或多个实施方案中,所述系统还包括空间分辨成像装置,所述空间分辨成像装置被配置成拾取所述注入锁的定光的至少一部分以便对准所述注入锁定的光。
46、本发明还包括下列项目:
47、1.一种方法,其包括:
48、以第一阵列状态形成原子阵列,其中所述形成包括:
49、用多个离散的可调节声学音调频率来激发晶体,
50、使激光穿过所述晶体以产生多个限制区域,其中每个声学音调频率对应于单个原子的单独限制区域,
51、在所述多个限制区域中的至少两个中捕获至少两个原子,
52、与所述离散的可调节声学音调频率关联来识别包含所述捕获的原子的所述限制区域,以及
53、通过扫掠至少一个关联的可调节声学音调频率来调节所述捕获的原子中的至少两个之间的间距;
54、通过使所述捕获的原子中的至少一些经受光子能量以使所述捕获的原子中的至少一些转变成激发态来使处于所述第一阵列状态的所述多个原子演化为处于第二阵列状态的多个原子;以及
55、观察处于所述第二阵列状态的所述多个原子。
56、2.如项目1所述的方法,其中所述激发态是里德伯态。
57、3.如项目1所述的方法,其中处于所述第一阵列状态的所述多个原子包括7至51个原子。
58、4.如项目1所述的方法,其中使所述多个原子演化包括在使所述原子中的至少一些经受光子能量之前,将处于所述第一阵列状态的所述原子中的至少一些准备成基态的塞曼子能级。
59、5.如项目4所述的方法,其中将处于所述第一阵列状态的所述原子准备成所述基态的塞曼子能级包括在磁场中进行光泵浦。
60、6.如项目1所述的方法,其中使所述原子中的至少一些经受光子能量包括施加具有两种不同波长的光,并且其中将所述原子中的所述至少一些转变成激发态包括双光子跃迁。
61、7.如项目6所述的方法,其中所述两种不同波长是大约420nm和大约1013nm。
62、8.如项目6所述的方法,其还包括施加具有第三波长的相位门。
63、9.如项目8所述的方法,其中所述第三波长是大约809nm。
64、10.如项目1所述的方法,其中使所述原子中的所述至少一些经受光子能量包括施加两个半π脉冲。
65、11.如项目10所述的方法,其中使所述原子中的所述至少一些经受光子能量还包括在所述两个半π脉冲之间施加π脉冲。
66、12.如项目1所述的方法,其中捕获所述至少两个至少两个原子包括从原子云捕获至少两个原子以及使来自所述原子云的未被捕获在所述多个限制区域中的一个中的原子分散。
67、13.如项目1所述的方法,其中所述晶体和所述激光构成第一控制声光偏转器(aod),并且其中捕获所述至少两个原子包括从保持阱阵列捕获原子,所述保持阱阵列具有在二维上间隔开的至少三个阱。
68、14.如项目13所述的方法,其中通过至少一个保持aod、空间光调制器(slm)和光学晶格中的至少一个来生成所述保持阱阵列。
69、15.如项目13所述的方法,其还包括:第二控制aod,所述第二控制aod被配置成与所述第一控制aod成交叉关系,并且其中:
70、与所述离散的可调节声学音调频率关联来识别包含所述捕获的原子的所述限制区域包括与所述第一控制aod和所述第二控制aod的离散的可调节声学音调频率关联,并且
71、调节所述捕获的原子中的所述至少两个之间的所述间距包括扫掠所述第一控制aod或所述第二控制aod的至少一个关联的可调节声学音调频率。
72、16.如项目15所述的方法,其中调节所述捕获的原子中的所述至少两个之间的所述间距还包括调节行中的多个原子的位置。
73、17.如项目1所述的方法,其还包括:
74、以第三阵列状态形成与第一原子阵列相邻的第二原子阵列,其中所述形成包括:
75、用多个第二离散的可调节声学音调频率激发第二晶体,
76、使第二激光穿过所述第二晶体以形成多个第二限制区域,其中每个第二声学音调频率对应于单个原子的单独第二限制区域,
77、在所述多个第二限制区域中的至少两个中捕获至少两个第二原子,
78、与所述第二离散的可调节声学音调频率关联来识别包含所述捕获的原子的所述第二限制区域,以及
79、通过扫掠至少一个第二关联的可调节声学音调频率来调节所述捕获的第二原子中的至少两个之间的间距;
80、其中通过使所述捕获的原子中的至少一些经受光子能量以使所述捕获的原子中的所述至少一些转变成所述激发态来使处于所述第一阵列状态的所述多个原子演化为处于第二阵列状态的多个原子还包括通过使所述第二捕获的原子中的至少一些经受光子能量以使所述第二捕获的原子中的至少一些转变成激发态来使处于所述第三阵列状态的所述多个第二原子演化为处于第四阵列状态的多个第二原子;并且
81、其中观察处于所述第二阵列状态的所述多个原子还包括观察处于所述第四阵列状态的所述多个第二原子。
82、18.如项目1所述的方法,其中:
83、通过扫掠至少一个关联的可调节声学音调频率来调节所述捕获的原子中的至少两个之间的所述间距包括对量子计算问题进行编码;
84、将处于所述第一阵列状态的所述多个原子演化为处于所述第二阵列状态的所述多个原子产生对所述量子计算问题的解决方案;并且
85、观察处于所述第二阵列状态的所述多个原子包括读出对所述量子计算问题的所述解决方案。
86、19.如项目18所述的方法,其中所述量子计算问题包括伊辛(ising)问题和最大独立集(mis)优化问题中的至少一个。
87、20.一种系统,其包括:
88、限制系统,所述限制系统用于以第一阵列状态来排列原子阵列,所述限制系统包括:
89、晶体,
90、可调节的声学音调频率施加源,所述可调节的声学音调频率施加源被配置成选择性地向所述晶体施加多个离散的可调节声学音调频率,以及
91、激光源,所述激光源被布置成使光穿过所述晶体以形成多个限制区域,其中每个声学音调频率对应于单独的限制区域,
92、原子云的来源,所述原子云能够被定位成与所述多个限制区域至少部分地重叠;
93、激发源,所述激发源用于使处于所述第一阵列状态的所述多个原子中的至少一些演化为处于第二阵列状态的多个原子,所述激发源包括至少一个光子能量源;
94、观察系统,所述观察系统用于观察处于所述第二阵列状态的所述多个原子。
95、21.如项目20所述的系统,其中所述激发源被配置成将处于所述第一阵列状态的所述多个原子中的至少一些激发成里德伯态。
96、22.如项目20所述的系统,其中处于所述第一阵列状态的所述多个原子包括5至51个原子。
97、23.如项目20所述的系统,其中所述激发源被配置成在使所述原子中的至少一些经受光子能量之前,将处于所述第一阵列状态的所述多个原子中的至少一些激发成基态的塞曼子能级。
98、24.如项目23所述的系统,所述激发源还包括光泵浦系统和磁场生成器。
99、25.如项目20所述的系统,其中所述至少一个光子能量源包括具有第一波长和第二波长的光源,以用于产生处于所述第一阵列状态的所述多个原子中的所述至少一些的双光子跃迁。
100、26.如项目25所述的系统,其中所述两种不同波长是大约420nm和大约1013nm。
101、27.如项目25所述的系统,其中所述至少一个光子能量源包括具有第三波长的来源以用于施加相位门。
102、28.如项目27所述的系统,其中所述第三波长是大约809nm。
103、29.如项目28所述的系统,其中所述激发源被配置成施加两个半π脉冲。
104、30.如项目29所述的系统,其中所述激发源被配置成在所述两个半π脉冲之间施加π脉冲。
105、31.如项目20所述的系统,其中所述限制系统是第一控制声光偏转器(aod),并且其中所述系统还包括保持阱阵列,所述保持阱阵列具有在二维上间隔开的至少三个阱,所述保持阱阵列由保持阱来源生成。
106、32.如项目31所述的系统,其中所述保持阱来源包括至少一个保持aod、空间光调制器(slm)和光学晶格中的至少一个。
107、33.如项目31所述的方法,其还包括与所述第一控制aod成交叉关系的第二控制aod,其中所述第一控制aod控制光束在第一方向上的偏转,并且所述第二控制aod控制来自所述第一控制aod的光束在不同于所述第一方向的第二方向上的偏转。
108、34.如项目20所述的方法,其中所述限制系统是第一控制声光偏转器(aod),并且其中所述系统还包括与所述第一控制aod成堆叠关系的第二控制aod,其中所述第一控制aod被配置成在具有第一方向的第一阵列中产生多个限制区域,并且所述第二控制aod控件被配置成在基本上平行于所述第一方向的第二阵列中产生多个限制区域。
109、35.一种用于控制捕获的原子的阵列的系统,其包括:
110、激光源,所述激光源用于产生激光输出;
111、激光源控制器,所述激光源控制器控制所述激光源;
112、庞德-德瑞福-霍尔(pdh)锁定,所述pdh锁定与所述激光源光学耦合,所述pdh锁定接收所述激光输出中的至少一些并且将反馈信号提供给所述激光源控制器以便稳定所述激光输出;
113、参考光学腔,所述参考光学腔光学耦合到所述激光源,所述参考光学腔被配置成接收所述激光输出中的至少一些并且透射参考光学腔输出,所述参考光学腔输出对应于所述激光输出中的所述至少一些的落入参考光学腔透射窗内的一部分;以及
114、光学隔离器,所述光学隔离器光学耦合到所述参考光学腔,所述光学隔离器被配置成分离所述参考光学腔输出并且将所述分离的参考光学腔输出的至少一部分提供给法布里-珀罗激光二极管以对所述参考光学腔输出进行注入锁定,其中所述光学隔离器将注入锁定的光提供给所述捕获的原子中的至少一些。
115、36.如项目35所述的系统,其中所述pdh还包括光电检测器,所述光电检测器接收所述激光输出中的至少一些并且将光电检测器信号输出到所述激光控制器。
116、37.如项目35所述的系统,其还包括第二激光源,以用于提供与所述第一激光输出的波长不同的第二激光输出。
117、38.如项目37所述的系统,其还包括:
118、第二激光源控制器,所述第二激光源控制器控制所述第二激光源;
119、第二庞德-德瑞福-霍尔(pdh)锁定,所述第二pdh锁定与所述第二激光源光学耦合,所述第二pdh锁定接收所述第二激光输出中的至少一些并且将第二反馈信号提供给所述第二激光源控制器以便稳定所述第二激光输出;
120、第二参考光学腔,所述第二参考光学腔光学耦合到所述第二激光源,所述第二参考光学腔被配置成接收所述第二激光输出中的至少一些并且透射第二参考光学腔输出,所述第二参考光学腔输出对应于所述第二激光输出中的所述至少一些的落入第二参考光学腔透射窗内的一部分;以及
121、第二光学隔离器,所述第二光学隔离器光学耦合到所述第二参考光学腔,所述第二光学隔离器被配置成分离所述第二参考光学腔输出并且将所述分离的第二参考光学腔输出的至少一部分提供给第二法布里-珀罗激光二极管以对所述第二参考光学腔输出进行注入锁定,其中所述第二光学隔离器将第二注入锁定的光提供给所述捕获的原子中的至少一些。
122、39.如项目38所述的系统,其中所述第二激光源产生大约1013nm的光。
123、40.如项目38所述的系统,其中所述第二参考光学腔和所述第一参考光学腔是相同的元件。
124、41.如项目38所述的系统,其中所述第一注入锁定的光和所述第二注入锁定的光以反向传播构型提供给所述捕获的原子中的所述至少一些。
125、42.如项目35所述的系统,其中所述第一激光源产生大约420nm的光。
126、43.如项目35所述的系统,其还包括光学器件,所述光学器件光学地定位在所述光学隔离器与捕获的原子的所述阵列之间,所述光学器件被配置成将所述注入锁定的光聚焦到所述捕获的原子中的所述至少一些上。
127、44.如项目35所述的系统,其还包括空间分辨成像装置,所述空间分辨成像装置被配置成拾取所述注入锁定的光的至少一部分以便对准所述注入锁定的光。
128、在查看以下附图、详细描述和权利要求之后,将更充分地理解所公开的主题的这些和其他能力。应当理解,本文采用的措辞和术语用于描述的目的,并且不应视为限制。
1.一种方法,其包括:
2.如权利要求1所述的方法,其中所述共振光脉冲具有可变失谐。
3.如权利要求1所述的方法,其中所述共振光脉冲具有可变拉比频率。
4.如权利要求1所述的方法,其中所述空间结构包含量子位的一维或二维阵列。
5.如权利要求1所述的方法,其中所述经编码的量子计算问题包含未加权最大独立集问题、最大权重独立集问题、最大团问题和最小顶点覆盖问题中的一个或多个。
6.如权利要求5所述的方法,其中所述最大权重独立集问题中的权重通过对每个顶点量子位施加不同的失谐来编码。
7.如权利要求5所述的方法,其中所述多个原子量子位的最终状态包含对经编码的未加权最大独立集问题的解决方案、对经编码的最大权重独立集问题的解决方案、对经编码的最大团问题的解决方案和对经编码的最小顶点覆盖的解决方案中的一个或多个。
8.如权利要求1所述的方法,其中对所述量子计算问题的解决方案包含对所述量子计算问题的近似解决方案。