離子阱，80 個單 離子 鐿離子漂浮在表面上方。每個單獨的離子都可以使用較小的 Paladin 激光束寬度進行處理，以進行單獨的量子位操作。

量子信息技術有可能通過利用量子力學的獨特原理來解決經(jīng)典系統(tǒng)無法實現(xiàn)的問題，從而徹底改變計算、密碼學和傳感技術。在 20 世紀 80 年代，Richard Feynman 首次提出使用量子力學進行計算的想法后，當 Peter Shor 引入了一種計算大量數(shù)字的算法時，引起了公眾的興趣，該算法構(gòu)成了現(xiàn)代密碼學的基礎。他表示，量子算法的工作速度比傳統(tǒng)方法快了指數(shù)級，從而打破了現(xiàn)代 RSA 加密。從這一時期開始，技術進步加速，進一步開發(fā)了算法和應用，其潛力推動了科學和工業(yè)的發(fā)展。當今的金融市場分析師預測，市場規(guī)模將達到數(shù)十億美元，這與量子計算機開發(fā)的全球聯(lián)邦資金和越來越多的初創(chuàng)公司有關。

“Paladin 使我們能夠注意其他問題，而不必每天早上對準激光器。”– Christopher Monroe 博士，杜克大學電氣和計算機工程與物理系教授

在量子計算機中，計算能力主要基于量子疊加和糾纏，比傳統(tǒng)計算機更快、更高效地解決復雜問題?；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。當今用于實施量子計算機的最有前途的平臺之一是基于捕獲的原子離子。Christopher Monroe 博士從事該領域的開創(chuàng)性工作已有 30 多年。他是杜克大學電氣和計算機工程與物理系的教授，杜克量子中心主任 ，也是量子計算行業(yè)領導者和第一家上市公司IonQ的聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席科學顧問。

使用鐿離子進行量子計算

憑借他最先進的技術，現(xiàn)在可以捕獲多達 80 個單離子的離子鏈，這些離子由激光器進行電離過程、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 激光器 。由于原子的自旋結(jié)構(gòu)，超細接地狀態(tài)提供了一個時鐘狀態(tài)，相干時間無限長，使其成為計算量子位的理想選擇。Monroe 博士沒有直接用微波源推動這種約 12.642812429 GHz 的轉(zhuǎn)變，而是使用 355 nm 激光波長的受刺激雙光子拉曼轉(zhuǎn)變，因為與微波 場相比，激光器場的電場梯度更高，可以更容易地將動量轉(zhuǎn)移到鏈中的單個離子，從而控制它們的運動狀態(tài)。將這些拉曼躍遷應用于定制序列中的許多離子會使離子的時鐘量子位與其運動耦合，從而產(chǎn)生可產(chǎn)生糾纏的量子門。與單量子位運算一起，這為通用量子計算提供了一套集合。

Coherent Paladin 模式鎖定皮秒激光器。

使用PALADIN激光器對量子位進行完全相干的控制

受控制的量子位旋轉(zhuǎn)需要兩個拉曼光束之間的光學相干性。Monroe 博士沒有使用兩個需要高技術需求的連續(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相干性的光學頻率梳。Paladin 激光器通過兩個重疊梳齒的干擾來驅(qū)動量子位轉(zhuǎn)換，這兩個梳齒在量子位分裂時產(chǎn)生跳動音符。由于跳動音符取決于 Paladin 激光器的自由運行重復頻率，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)定兩個梳齒之間的音符頻率，該鎖定使用聲光調(diào)制器校正測量重復頻率中的任何漂移。

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)百個離子，同時配備適當?shù)墓馐D(zhuǎn)向光學元件。由于光束強度和光束指向波動也在外部穩(wěn)定，因此用于保持量子位躍遷相干性的其他關鍵光束參數(shù)也得到了穩(wěn)定。Paladin 激光系統(tǒng)外所有三個參數(shù)的穩(wěn)定性證明了工業(yè)激光器在利用捕獲離子進行量子計算時在技術上要求很高的相干量子位控制中的適用性。

經(jīng)過行業(yè)驗證的激光器可靠性

由于 Paladin 激光器在任意量子計算的執(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，量子計算機的工作是基于量子物理相關硬件的發(fā)展，并以復雜的實驗室設置為主，這些設置受到需要定期重新對準的不穩(wěn)定激光器性能的影響。如今，面臨的挑戰(zhàn)是系統(tǒng)工程設計，將其擴展到包含穩(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 激光器作為相對簡單但極其可靠、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)驗的成熟技術示例，使 Monroe 博士能夠?qū)Ｗ⒂趫?zhí)行量子算法和模擬，而不是花時間在激光器上進行故障排除。

雖然相干公司 Paladin 激光器可能不是未來商用量子計算機中集成的終極激光器，但其行業(yè)級概念支持當今量子計算機的工程設計。事實上，許多 IonQ 商用量子計算機系統(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 鐿離子的量子計算的中心操作元件時具有出色的可靠性，這種成功模型現(xiàn)在也應用于量子計算的其他原子物質(zhì)，例如與波長為 532 nm 的 Paladin 激光器非常匹配的 離子 鋇離子。

審核編輯 黃宇