M Squared钛宝石激光器应用于紧凑型离子阱量子计算机系统

奥地利因斯布鲁克大学的Rainer Blatt研究组与Alpine Quantum Technologies (AQT)公司于今年6月17日在Physics Review X Quantum期刊上发表Compact Ion-Trap Quantum Computing Demonstrator一文。该文章展示了研究组与公司联合研发的紧凑型离子阱量子计算机演示系统的最新研究进展，并声称该系统代表全球离子阱量子计算机技术的领先水平。

R. Blatt作为离子阱量子信息处理领域的先驱者之一，其带领的研究组在该已深耕20年多年。AQT则是R. Blatt与其博士毕业学生Thomas Monz和著名物理学家Peter Zoller一起创办的一家专注离子阱量子计算的科技公司。R. Blatt研究组与AQT公司合作多年，致力于建造Advanced Quantum computation with Trapped IONs (AQTION)。

1、离子阱实验系统

本文介绍的演示机系统将离子阱实验系统从庞大的实验室平台集成进了了两个19英寸服务器机柜中。这一模块化的量子计算系统包括离子阱及其真空系统，电子电路控制系统和激光系统。作为整个系统中最重要的组成部分，激光系统为离子的电离、囚禁、冷却、探测、相干操作提供稳定的光源。通常，激光系统在实验室平台中会占据大部分的空间，AQT的研究人员通过精妙的设计，在保证系统的性能没有损失前提下，将所有的激光光源、频率稳定和高速光开关都塞进了两个小小的机柜之中。我们今天介绍的主要对象，729nm超稳激光系统就是其中之一。

图1：演示机的模块布局图。光学机柜主要包含大部分非相干光源和729nm相干光源，以及光纤分发和光开关模块，离子阱机柜包含离子阱和进阱光路。两个机柜之间通过光纤进行连接。两个机柜都具备很好的机械和温度稳定性，保证了整个系统的性能。

R. Blatt研究组从20多年前就开始致力于Ca离子量子计算平台的开发，如今该研究组已完成了DiVincenzo的5大量子计算准则的物理实现。AQT的演示机系统同样使用Ca40离子作为量子比特的载体，量子比特类型选用光学量子比特。Ca40离子拥有两个寿命超过1秒的亚稳态能级D5/2和D3/2，通常将量子比特的1态取为D5/2态的某个塞曼能级，将0态取为离子基态S1/2的某个塞曼能级。利用一束波长为729nm的激光，可以实现量子态的相干性操作，从而进一步实现单量子比特门和双量子比特门。为了保证量子比特在操作过程不丢失相干性，就要求729激光具备极佳的频率稳定性，即要求729激光具备极窄的线宽。由于该S到D的跃迁为电四极跃迁，自然线宽仅为136mHz，这就要求729激光线宽需要窄至Hz量级，以获得百ms量级的量子比特相干时间。因此729超稳激光系统在Ca离子阱系统中扮演着重要的角色。

图2：基于Ca40离子的光学量子比特方案。S1/2态到P1/2态的电偶极跃迁用于多普勒冷却和荧光探测，S1/2态到D5/2态的电四极跃迁用于离子的边带冷却、初态制备和相干操作。相干操作所需的729nm激光需要具备Hz量级的激光线宽。

2、M Squared激光器应用于离子阱系统

R. Blatt研究组掌握着Hz量级激光稳频技术。十几年前，研究组主要使用其他老一代的环形腔钛宝石激光器产生超稳729激光。近年来，老一代的单频钛宝石激光产品的技术更新不足可靠性难以满足要求，同时由于全新设计的英国M Squared公司的单频钛宝石激光器优越的性能，该研究组将超稳729激光光源的供应商转向M Squared公司。

AQT的演示机系统中的729光源使用了M Squared公司的SolsTiS单频可调谐钛宝石激光器。与其他钛宝石激光器类似，该激光器使用532nm绿光光源（如M Squared Equinox）泵浦Ti3+：Al2O3晶体，利用多种频率选择元件，获得光谱纯度较高的基模高斯激光光束。SolsTiS激光器在此基础上，使用先进的宽带光学元件，让激光器具有极宽的调谐范围（700-1000nm），使用超稳定的机械和光学设计，使得激光具有极低的自由运转线宽（50kHz）极低的功率抖动（0.075% RMS），因此十分适合作为Ca离子阱的729nm主激光光源。

R. Blatt研究组开发了基于SolsTiS的激光稳频方案。SolsTiS的激光环形腔中的一面腔镜贴有快速和慢速两片压电陶瓷，快速压电陶瓷的共振频率在105kHz，用于压窄激光线宽，慢速压电陶瓷具有更大的频率调谐范围，用于保持激光的中心频率。研究组使用超高精细度超稳腔和PDH锁频方案，在仅使用SolsTiS自身的反馈通道时，可以将激光线宽压窄至30Hz量级这得益于SolsTiS极低的自由运转线宽和快速压电陶瓷提供的高反馈带宽。研究人员为该超稳激光增加了一个额外的AOM用于更快速的反馈，并最终将激光线宽压窄至3.6Hz。使用该超稳激光，配合先进的磁屏蔽系统，AQT演示机可将Ca离子光学量子比特相干时间延长至百毫秒量级，并将两比特门所需时间缩短到几十微秒，同时获得99.7%的保真度。在这样的条件下，演示机足以支持包含上万个两比特门的量子线路的量子操作。此外，演示机利用两种构型完全不同的方案（光纤阵列和AOD）对729激光实现单离子寻址，并保持了高达99%的单离子寻址两比特门保真度。

图3：R. Blatt组使用M Squared SolsTiS钛宝石激光器作为729超稳激光光源。其锁频方案利用到了SolsTiS的快速压电陶瓷和额外的AOM，多级反馈最终获得3.6Hz的激光线宽。

3、M Squared激光产品的广泛应用

奥地利R. Blatt研究组与AQT公司作为M Squared激光产品的资深用户，其开发的基于SolsTiS的超稳激光锁频方案也被多个实验组所学习使用。作为另一全球领先的离子阱量子计算研究组，牛津大学D. Lucas研究组也大量使用SolsTiS及ECD-X等激光产品，用于其Ca43和Sr88离子阱实验系统。近年来，随着M Squared的激光产品在国内的迅速推广，多个量子信息实验研究组采购使用了SolsTiS等产品，并已完成了多个重要实验。

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