WO2020034925A1

WO2020034925A1 - 离子光腔耦合系统及方法

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Publication number: WO2020034925A1
Application number: PCT/CN2019/100253
Authority: WO
Inventors: 曹冬阳
Original assignee: Huawei Technologies Co Ltd
Current assignee: Huawei Technologies Co Ltd
Priority date: 2018-08-14
Filing date: 2019-08-12
Publication date: 2020-02-20
Anticipated expiration: 2021-02-14
Also published as: EP3832694B1; CN110828022B; EP3832694A4; EP3832694A1; US20210166831A1; US11404179B2; CN110828022A

Abstract

一种离子光腔耦合系统及方法，其中，该系统包括：第一光腔(91)、第二光腔(92)以及包括直流电极对(93)、接地电极对(94)和射频电极对(95)的离子阱系统，离子阱系统中排列有至少一个离子(96)，至少一个离子(96)的平衡位置所在直线且与第一光腔(91)的两个光腔镜面垂直的直线为中心线(100)，第二光腔(92)与中心线(100)具有夹角，第一光腔(91)用于获取量子光信号并将其发送至离子阱系统中，以使该量子光信号的量子信息转移到离子阱系统的单个离子(96)中，第二光腔(92)用于获取离子阱系统中单个离子(96)的量子信息。这一系统和方法提高了离子与光子的量子态转移效率。

Description

离子光腔耦合系统及方法

本申请要求于2018年08月14日提交的申请号为201810925152.0、申请名称为“离子光腔耦合系统及方法”的中国专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本申请中。

技术领域

本申请涉及光电子技术领域，尤其涉及一种离子光腔耦合系统及方法。

背景技术

离子阱是联合电场和磁场来捕获带电粒子的一项技术，广泛用于质谱仪、基本物理参数测定、量子计算、量子存储、原子钟等领域。由于离子阱具有优良的量子比特性质，因而可以应用于量子信息处理中，通过建立量子网络以实现量子信息在两个甚至多个量子节点(离子阱)中无失真地传输。多离子与光腔的耦合是构建复杂量子网路和分布式量子计算的核心。因而，如何在离子系统中实现离子与光腔的强耦合是实现分布式量子计算的关键。

目前，现有的离子光腔耦合方案中，光腔沿着离子阱系统径向设置。在该方案的量子节点信息转移过程中，首先利用光腔获取量子光信号，并将离子阱系统中离子与量子光信号的相互作用保存到两个离子的纠缠态相位信息中，其次将两离子的纠缠态相位信息转化为光子的相位信息，最后光子的相位信息从光腔射出，并经过光纤信道传到远距离的另一个量子节点，实现了量子节点信息的转移。

然而，上述离子光腔耦合方案中，由于量子光信号进入光腔后，与离子相互作用的作用结果需要保存到两个离子的纠缠态相位信息中，再转化为光子的相位信息从光腔出射，离子与光子的量子态转移效率低。

发明内容

本申请提供离子光腔耦合系统及方法，用于解决现有离子光腔耦合方案中离子与光子的量子态转移效率低的问题。

本申请第一方面提供一种离子光腔耦合系统，包括：第一光腔、第二光腔，以及离子阱系统，所述离子阱系统，包括：直流电极对、接地电极对和射频电极对；

所述离子阱系统中排列有至少一个离子，所述至少一个离子的平衡位置所在直线为中心线，所述中心线与所述第一光腔的两个光腔镜面垂直；

所述第一光腔的两个光腔镜面对称分布在所述至少一个离子的两侧，所述第二光腔的两个光腔镜面分布在所述第一光腔的两个光腔镜面形成的空间中，且所述第二光腔与所述中心线具有夹角；

所述直流电极对的两个直流电极对称分布在所述第一光腔的两个光腔镜面的外侧，所述接地电极对和所述射频电极对分布在所述第一光腔的两个光腔镜面形成的空间中；

所述第一光腔用于获取量子光信号并将所述量子光信号发送至所述离子阱系统中，以使所述量子光信号的量子信息转移到所述离子阱系统的单个离子中；

所述第二光腔用于获取所述离子阱系统中所述单个离子的量子信息。

该技术方案中，量子光信号从第一光腔中进入离子阱系统，并且从第二光腔中射出，避免了用同一个光腔读入读出带来的一半损耗，提高了离子与光子的量子态转移效率。

可选的，在第一方面的一种可能实现方式中，所述第一光腔用于获取量子光信号并将所述量子光信号发送至所述离子阱系统中，以使所述量子光信号的量子信息转移到所述离子阱系统的单个离子中，包括：

所述第一光腔用于将获取到的所述量子光信号发送至所述离子阱系统中，使所述量子光信号被所述至少一个离子吸收，所述量子光信号的量子信息依次转移到所述至少一个离子的集体激发态和整体谐振模激发态中，再从所述整体谐振模激发态中转移到所述离子阱系统的单个离子的激发态中。

本实施例中，利用量子光信号通过被离子阱系统中至少一个离子吸收，可以使量子信息依次转移到上述至少一个离子的集体激发态和整体谐振模激发态中，再转移到离子阱系统的单个离子的激发态中，进而为量子信息从第二光腔读出离子阱系统奠定了基础。

可选的，在第一方面的另一种可能实现方式中，所述第二光腔用于获取所述离子阱系统中所述单个离子的量子信息，包括：

所述第二光腔用于通过激光定位所述离子阱系统中的所述单个离子，获取所述单个离子的量子信息。

本申请实施例中，由于第二光腔的束腰半径可以与两个离子间距相当，因而，激光通过第二光腔可以只作用在单个离子上而不影响其他离子的状态，实现了单个离子寻址。

可选的，在第一方面的再一种可能实现方式中，在所述离子阱系统中，所述第一光腔与所述至少一个离子中任一个离子的耦合强度、所述第二光腔与所述至少一个离子中任一个离子的耦合强度均用g ₀表示，所述g ₀通过如下公式表示：

其中，c为光速，L为所述第一光腔或所述第二光腔的长度，ω ₀为所述第一光腔或所述第二光腔的束腰半径，λ为量子光信号的波长，γ为离子的自发辐射率。

可选的，所述第一光腔与所述离子阱系统中的所有离子的总耦合强度g _N用如下公式表示：

其中，所述N为所述离子阱系统中离子的总数量。

在本实施例中，从第一光腔获取的量子光信号可以与离子阱系统中的所有离子相互作用，提高了该离子光腔耦合系统的耦合强度。

可选的，在第一方面的又一种可能实现方式中，所述第一光腔的第一光腔镜面和所述第二光腔的第一光腔镜面均镀第一反射膜，所述第一光腔的第二光腔镜面和所述第二光腔的第二光腔镜面均镀第二反射膜，所述第一反射膜的反射率介于第一预设范围内，所述第二反射膜的反射率介于第二预设范围内，所述第一预设范围的最大值小于所述第二预设范围的最小值。

本实施例中，通过在第一光腔和第二光腔的两个光腔镜面分别镀第一反射膜和第二反射膜，这样既可以从外界获取量子光信号，使其在第一光腔的两个光腔镜面之间来回反射，反复与离子相互作用，进而增加量子光信号与离子阱系统中离子的相互作用概率，其次，量子光信号的量子信息转移到单个离子中后，也可以通过第二光腔获取单个离子的量子信息，实现了单个离子的寻址，从而实现了离子中信息的传递。

可选的，在第一方面的又一种可能实现方式中，所述第二光腔的两个光腔镜面与所述中心线的距离相同，所述接地电极对的两个接地电极与所述射频电极对的两个射频电极对称分布在所述中心线的两侧，所述直流电极对的两个直流电极的连线与所述中心线平行。

可选的，在第一方面的又一种可能实现方式中，所述接地电极对中的接地电极和相邻的射频电极之间具有夹角，所述夹角大于0度且小于180度；

所述第二光腔的两个光腔镜面以所述中心线为中心对称分布，所述第二光腔的一个光腔镜面位于所述接地电极和相邻射频电极形成的夹角中，所述第二光腔的另一个光腔镜面位于另一个接地电极与相邻的另一个射频电极形成的夹角中。

本申请实施例中，第一光腔、第二光腔、直流电极对、接地电极对以及射频电极对各部分的上述位置关系，既可以将至少一个离子囚禁在离子阱系统中，又可以通过第一光腔获取量子光信号，通过第二光腔定位离子阱系统中的单个离子，可以从离子阱系统中读出单个离子的量子信息，实现了离子信息的传递。

可选的，在第一方面的又一种可能实现方式中，在所述离子阱系统中的离子数量为至少两个时，所述第一光腔的束腰半径大于所述至少两个离子中相邻两个离子的间距，所述第二光腔的束腰半径小于或等于所述至少两个离子中相邻两个离子的间距。

这样，第一光腔可以实现与离子阱中所有离子的耦合，并且通过第二光腔可以定位并获取到离子阱系统中的单个离子。

本申请第二方面提供一种离子光腔耦合方法，适用于离子光腔耦合系统，所述离子光腔耦合系统包括：第一光腔、第二光腔，以及离子阱系统，所述离子阱系统，包括：直流电极对、接地电极对和射频电极对，所述离子阱系统中排列有至少一个离子，所述至少一个离子的平衡位置所在直线为中心线，所述中心线与所述第一光腔的两个光腔镜面垂直，所述第一光腔的两个光腔镜面对称分布在所述至少一个离子的两侧，所述第二光腔的两个光腔镜面分布在所述第一光腔的两个光腔镜面形成的空间中，且所述第二光腔与所述中心线具有夹角，所述直流电极对的两个直流电极对称分布在所述第一光腔的两个光腔镜面的外侧，所述接地电极对和所述射频电极对分布在所述第一光腔的两个光腔镜面形成的空间中；

所述方法包括：

利用所述第一光腔获取量子光信号，并将所述量子光信号发送至所述离子阱系统中，所述量子光信号携带量子信息；

利用所述第一光腔和所述离子阱系统，将所述量子光信号的量子信息转移到所述离子阱系统的单个离子中；

利用所述第二光腔获取所述离子阱系统中所述单个离子的量子信息。

该技术方案中，量子光信号从第一光腔进入离子阱系统，并且从第二光腔取出，避免了用同一个光腔读入读出带来的一半损耗，提高了离子与光子的量子态转移效率。

可选的，在第二方面的一种可能实现方式中，所述利用所述第一光腔和所述离子阱系统，将所述量子光信号的量子信息转移到所述离子阱系统的单个离子中，包括：

利用所述第一光腔和所述离子阱系统的囚禁作用，使所述量子光信号被所述离子阱系统中的所述至少一个离子吸收；其中，所述量子光信号的量子信息依次转移到所述至少一个离子的集体激发态和整体谐振模激发态中，再从所述整体谐振模激发态中转移到所述离子阱系统的单个离子的激发态中。

可选的，在第二方面的另一种可能实现方式中，所述利用所述第二光腔获取所述离子阱系统中所述单个离子的量子信息，包括：

利用激光通过所述第二光腔，定位所述离子阱系统中的所述单个离子；

利用所述第二光腔，获取所述单个离子的量子信息。

可选的，在第二方面的再一种可能实现方式中，在所述离子阱系统中，所述第一光腔与所述至少一个离子中任一个离子的耦合强度、所述第二光腔与所述至少一个离子中任一个离子的耦合强度均用g ₀表示，所述g ₀通过如下公式表示：

其中，c为光速，L为所述第一光腔或所述第二光腔的长度，ω ₀为所述第一光腔或所述第二光腔的束腰半径，λ为量子光信号的波长，γ为单离子的自发辐射率。

其中，所述N为所述离子阱系统中离子的总数量。

可选的，在第二方面的又一种可能实现方式中，所述第一光腔的第一光腔镜面和所述第二光腔的第一光腔镜面均镀第一反射膜，所述第一光腔的第二光腔镜面和所述第二光腔的第二光腔镜面均镀第二反射膜，所述第一反射膜的反射率介于第一预设范围内，所述第二反射膜的反射率介于第二预设范围内，所述第一预设范围的最大值小于所述第二预设范围的最小值。

可选的，在第二方面的又一种可能实现方式中，所述第二光腔的两个光腔镜面与所述中心线的距离相同，所述接地电极对的两个接地电极与所述射频电极对的两个射频电极对称分布在所述中心线的两侧，所述直流电极对的两个直流电极的连线与所述中心线平行。

可选的，在第二方面的又一种可能实现方式中，所述接地电极对中的接地电极和相邻的射频电极之间具有夹角，所述夹角大于0度且小于180度；

可选的，在第二方面的又一种可能实现方式中，在所述离子阱系统中的离子数量为至少两个时，所述第一光腔的束腰半径大于所述至少两个离子中相邻两个离子的间距，所述第二光腔的束腰半径小于或等于所述至少两个离子中相邻两个离子的间距。

第二方面的离子光腔耦合方法，可以通过第一方面的离子光腔耦合系统实现，其实现原理和技术效果类似，在此不再赘述。

本申请实施例提供的离子光腔耦合系统及方法，首先利用第一光腔获取量子光信号，并将获取到的量子光信号发送至离子阱系统中，该量子光信号携带量子信息，其次利用第一光腔和离子阱系统，将上述量子光信号的量子信息转移到离子阱系统的单个离子中，最后再利用第二光腔获取离子阱系统中单个离子的量子信息。该技术方案中，量子光信号从第一光腔进入离子阱系统，并且从第二光腔取出，避免了用同一个光腔读入读出带来的一半损耗，提高了离子与光子的量子态转移效率。

附图说明

图1为线性阱的基本结构示意图；

图2为图1所示线性阱的正视图；

图3为图1所示线性阱的左视图；

图4为静电场中静电势的马鞍点示意图；

图5为钙离子的能级结构示意图；

图6为离子和光子间量子信息的转移示意图；

图7为离子和光子间量子信息转移的硬件结构示意图；

图8为本申请实施例提供的离子光腔耦合系统的结构示意图；

图9为离子光腔耦合系统的平面示意图；

图10为离子耦合到光腔的时能级结构的变化示意图；

图11为量子光信号在离子光腔耦合系统中的传输示意图；

图12为本申请实施例提供的离子光腔耦合方法实施例的流程示意图。

具体实施方式

以下，对本申请实施例中的部分用语进行解释说明，以便于本领域技术人员理解：

强耦合：原子或者离子和光腔的耦合强度远远大于原子或者离子的自发辐射强度和光腔的衰减率。

分布式量子计算：用多个量子节点，每个量子节点包含多个量子比特的系统共同完成某个量子计算任务，不同量子节点之间的信息传输由携带量子信息的光子完成。分布式量子计算特别合适一些现在还无法大规模集成的硬件系统，还特别适合单依靠本地量子节点无法完成的量子计算任务。

量子网络：在不同量子节点之间用光子传输量子信息，使得不同量子节点之间可以交互。

光腔的模式体积：等效的光腔体积，正比于光腔的束腰半径平方再乘光腔长度。

大光腔：光腔的束腰半径与离子之间的间距相比较大，即束腰半径大于两个离子间距的光腔。可选的，在本申请实施例中，大光腔用第一光腔表示。

小光腔：光腔的束腰半径与离子之间的间距相比较小，即束腰半径小于两个离子间距的光腔。可选的，在本申请实施例中，小光腔用第二光腔表示。

可选的，下面首先针对本申请实施例适用场景进行简要说明。

离子阱是联合电场和磁场来捕获带电粒子的一项技术，广泛用于质谱仪、基本物理参数测定、量子计算、量子存储、原子钟等领域。想要用电磁场捕获带电粒子，需要用电磁场在空间产生电势能低点，但是根据麦克斯韦电磁方程组，带电粒子在静电场中没有三维势能最低点，所以仅仅用静电场不能捕获带电粒子。

可以理解的是：带电粒子会沿着电场线方向运动，由于静电场的空间中没有其他电荷，电场线不会终止，所以带电粒子会一直朝一个方向运动不会静止，也不会局限在某个区域内。为了捕获带电粒子，需要联合静电场和静磁场或者用静电场和交变电场结合，前者称为彭宁阱(Penning Trap)，后者称为保罗阱(Paul Trap)。Penning Trap一般用于测量离子或者稳定的亚原子粒子的特性，例如，电子磁矩等。Paul Trap一般用于原子钟或者量子信息处理领域。Paul Trap又称为电四级离子阱或者射频阱，其根据能否同时捕获多个离子(是否有多个电势能低点)可以分为线性阱和针型阱。线性阱因为可以同时捕获多个离子广泛应用于量子信息处理领域，也被认为是最有可能实现量子计算的硬件系统之一。可选的，在本申请实施例中，如无特殊声明，离子阱均是指线性阱。

图1为线性阱的基本结构示意图。图2为图1所示线性阱的正视图。图3为图1所示线性阱的左视图。可选的，如图1至图3所示，线性阱可以由六片电极构成，其中，四片刀片形状的电极分为两组，一组对角线电极加交变电压(称为射频电极)，另一组对角线电极接地(称为接地电极)，从而在径向(XY方向)形成电四级势，两端的针型电极加电压相同的静电压(称为直流电极)，从而在轴向(Z方向)形成静电束缚。上述六片电极电极加在一起形成三维势能低点，束缚带电离子。

可选的，为了使本领域技术人员更好的理解线性阱，下述对线性阱的基本原理进行简要说明。

可选的，自由空间中的静电势必须满足拉普拉斯(Laplace)方程，具体如公式(1)所示：

式中，Ф表示静电场中的电势能，

为梯度符号，表示对电势能求偏导数。

此外，线性阱的静电势可以用如下公式(2)表示：

式中，r _i表示坐标(x,y,z)所在的空间位置，k _i表示每个坐标分量对应的系数，Ф ₀为离子的基准电势能，是常数。

根据公式(1)和公式(2)可以得到k _xx+k _yy+k _zz＝0。因而，k _x，k _y，k _z中的某个系数必须为负数，即静电势在某个方向有亚稳态的马鞍点，具体如图4所示，图4为静电场中静电势的马鞍点示意图。由图4可知，带电粒子在静电场中不会静止或被局限在某个区域内，所以，静电场不能稳定的束缚带电粒子。

可选的，如图4所示，如果将静电势旋转起来，就可以得到等效的二维束缚电势能。具体的，在实际应用中，通过在在xy方向加交变电场，形成xy方向的二维束缚势能，在z方向加静电场，形成z方向的一维束缚势能。可选的，xy方向的二维束缚势能Ф _rad(x,y,z,t)可以用公式(3)表示，z方向的一维束缚势能Ф _ax(x,y,z)可以用公式(4)表示：

式中，V _RF表示交变电场的电压，Ω _RF表示交变电场的频率，U _r表示静电场在xy方向上的电压，α _x、α _y、α _z分别表示运动离子在xy方向上的每个坐标分量对应的系数，U _DC表示静电场在z方向的电压，β _x、β _y、β _z分别表示运动离子在z方向上的每个坐标分量对应的系数。在本实施例中，V _RF、Ω _RF、U _r、U _DC、α _x、α _y、α _z以及β _x、β _y、β _z均为常数。

可选的，静电场中的运动离子满足公式(5)所示的牛顿第二定律：

式中，

表示运动离子的加速度，F表示运动离子受到的电场力，m是运动离子的质量，E(x,y,z,t)表示运动离子在t时刻、空间坐标为(x,y,z)处的电场强度，e表示运动离子的电荷量，Ф _rad为xy方向的二维束缚势能，Ф _ax为z方向的一维束缚势能。

可选的，根据上述公式(3)、公式(4)和公式(5)可以得到运动离子的运动轨道r _i(t)，该r _i(t)用公式(6)表示：

式中，r _i(t)表示运动离子的运动轨道，

表示运动离子所做谐振运动的幅度，ω _i为运动离子所做谐振运动的谐振频率，且

a _i和q _i表示常数，且a _i＜＜1,q _i＜＜1，Ω _RF表示交变电场的频率。

综上所述，离子在线性阱中的运动可以分为两部分，一部分是幅度为

频率为ω _i的谐振运动，另一部分是附加驱动的微运动(a _i和q _i是远小于1的常数，a _i和q _i的大小与线性阱的结构和所加电压相关)。实际应用中，一般情况下，微运动可以通过加外部补偿电极来抵消掉，所以，一般只考虑离子的谐振运动。可以理解的是，离子在线性阱中的运动可以类比弹簧连接的小球在平衡位置附近来回振动，所述平衡位置是指离子在线性阱(离子阱)中做谐振运动时的中心位置，离子位于该平衡位置时，离子的回复力为0，而且，离子在该平衡位置处的速度最大，动能最大，势能为0。

下述简单介绍离子阱的光学性质以及离子阱与光的相互作用。

由上述分析可知，离子会在离子阱中做谐振运动，然而，外部的电磁噪声和空间中残留的高速运动粒子会使得离子的能量升高，从而跳出离子阱外。为了能够长时间将离子束缚在离子阱中，需要将离子的动能减少，即，控制离子在谐振运动时的振幅减小。

可选的，在原子物理中，一般采用多普勒冷却的方式给原子或离子降温。

通常情况下，一般用于量子信息处理的离子阱系统都用二价原子，因为失去一个电子后原子核外只有一个电子，其性质类似于氢原子的性质。可选的。本申请实施例中，离子阱中的离子以钙离子为例说明。示例性的，图5为钙离子的能级结构示意图。

以图5所示的钙离子为例，如图5所示，离子首先处于能量基态S(例如，用4 ²S _1/2表示)，当用波长为397nm的激光照射离子阱中的束缚离子时，离子的状态会从基态S(例如，用4 ²S _1/2表示)跳跃到激发态P(例如，用4 ²P _1/2表示)，由于激发态P是不稳定的状态，其会快速辐射出397nm光子的能量，离子重新回到基态S(4 ²S _1/2)，不断重复这个过程，离子的能量就被波长为397nm的光子带走，从而降低了离子的能量。

同理，对于处于能量基态S(4 ²S _1/2)的离子，当用波长为393nm的激光照射离子阱中的束缚离子时，离子的状态会从基态S(4 ²S _1/2)跳跃到激发态P(例如，用4 ²P _3/2表示)，由于激发态P是不稳定的状态，其会快速辐射出393nm光子的能量，离子重新回到基态S(4 ²S _1/2)，不断重复这个过程，离子的能量就被波长为393nm的光子带走，从而降低了离子的能量。

值得说明的是，采用多普勒冷却的方式可以快速降低离子的温度，例如，可以将离子的温度从室温1000K降低到500uK。经过多普勒冷却后的束缚离子就可以作为很好的量子比特用于量子信息处理。

量子信息处理中一个重要的方向是构建量子网络，量子网络的特点是量子信息要能在两个甚至多个量子节点中无失真地传输。由于离子阱具有优良的量子比特性质成为实现量子节点的候选之一。为了让量子信息能够在两个远距离的离子阱中间传输，首先需要将一个量子节点中的离子的量子信息转移给光子，再将光子通过光信道传输到另一个量子节点处，在该量子节点中再把光子的信息逆向传给离子。

可选的，在本申请实施例中，仍然以钙离子为例来阐述离子和光子间量子信息的传递过程，具体过程如图6所示。图6为离子和光子间量子信息的转移示意图。

参照图5和图6所示，钙离子在离子阱中能级图参照图5所示，但是，当离子阱加上外部磁场时，由于塞曼(Zeeman)效应(当离子被置于强磁场中时，离子发出的每条光谱线都分裂成三条)，钙离子的能级会劈裂。

可选的，如图5和图6所示，本申请实施例中，用基态劈裂后的能级(基态s和基态s′)来编码离子的量子态，并用亚稳态D(3 ²D _5/2)的能级作为过渡能级来制备离子的量子态(即，通过波长为729nm的激光激发离子)，得到离子的量子态用公式(7)表示：

式中，|>符号表示量子态，|s>表示离子处于基态s，|s′>表示离子处于基态s′，α表示常数，在本申请的实施例中，后续如无特殊说明，均沿用此表示，cosα表示离子处于基态s时的系数，

表示离子处于基态s′时的系数。

表示离子量子态的相位差。

在本申请实施例中，为了无失真地将离子的量子态传输到光子的量子态，需要保证量子态的幅度和相位都不变，其可以用双色拉曼虚过程来实现。可选的，双色拉曼虚过程表示采用两束激光照射离子，但只发射光子，而不接收光子。

可选的，如图5和图6所示，在磁场中，离子的激发态P也会被劈裂成两个能级，分别对应基态S的两个能级，用393nm的双色拉曼激光照射离子(非共振激发)，离子会跃迁到激发态P(4 ²P _3/2)，由于激发态P(4 ²P _3/2)不稳定，会掉回亚稳态D(3 ²D _5/2)，并发出854nm的光子。当用397nm的双色拉曼激光激发离子(非共振激发)，离子会跃迁到激发态P(4 ²P _1/2)，由于激发态P(4 ²P _1/2)不稳定，会掉回亚稳态D(3 ²D _3/2)，并发出866nm的光子。

可以理解的是，光子的能量和波长成反比，光子的波长越长，能量越小。因而，利用393nm和397nm的双色拉曼激光照射离子时，离子会跳跃到不同的高度，具体如5所示。

由于磁场定义了量子化轴，所以，辐射的光子根据角动量的改变会有不同的偏振，最终离子处于亚稳态D上，辐射的光子的量子态用公式(8)表示：

式中，H表示光子量子态的水平方向，V表示光子量子态的垂直方向，

为光子量子态的相位差，cosα表示光子处于亚稳态D时在H方向的系数，

表示光子处于亚稳态D时在V方向的系数。

由公式(7)和公式(8)可知光子的量子态与离子的量子态的幅度和相位完全一致，因而实现了离子的量子信息到光子的量子信息之间的相干转移，公式如公式(9)所示：

其中，

表示离子的量子态，|0>表示光子的初态，|D>表示离子处于亚稳定态D，

表示光子的量子态。

可选的，图7为离子和光子间量子信息转移的硬件结构示意图。如图7所示，该离子和光子间量子信息转移的硬件结构示意图可以包括：光腔71、电极72、透镜73、分束器74和光电转换器75。

可选的，如图7所示，通过光腔71、电极72、透镜73、分束器74和光电转换器75的相互作用，实现了离子量子信息到光子量子信息的转移。在该实施例中，由于单个离子每次只能辐射单个光子，加上信道上的损耗，光子的收集效率会非常低。此外，双色拉曼虚过程必须要用光腔来实现Lambda型的光转移。通过在光腔的一面镜子上镀超高反射膜，另一面镜子上镀高反射膜，使得854nm光子可以在光腔内震荡多次后再出射，这样可以通过受激辐射的方式大大提高辐射光子数量，从而提高了量子信息从离子到光子的转移效率。因而，离子耦合到光腔的结构是实现量子网络，分布式量子计算的核心。

图8为本申请实施例提供的离子光腔耦合系统的结构示意图。图9为离子光腔耦合系统的平面示意图。如图8和图9所示，该离子光腔耦合系统，可以包括：第一光腔91、第二光腔92，以及离子阱系统，该离子阱系统，包括：直流电极对93、接地电极对94和射频电极对95。

参照图8和图9所示，离子阱系统中排列有至少一个离子96，所述至少一个离子96的平衡位置所在直线为中心线100，该中心线100与第一光腔91的两个光腔镜面垂直。

其中，第一光腔91的两个光腔镜面对称分布在上述至少一个离子96的两侧，第二光腔92的两个光腔镜面分布在第一光腔91的两个光腔镜面形成的空间中，且第二光腔92与中心线100具有夹角。

可选的，上述直流电极对93的两个直流电极对称分布在第一光腔91的两个光腔镜面的外侧，接地电极对94和射频电极对95分布在第一光腔91的两个光腔镜面形成的空间中。

可选的，上述至少一个离子96排列在直流电极对93、接地电极对94和射频电极对95形成的空间中。

其中，该第一光腔91用于获取量子光信号并将量子光信号发送至上述离子阱系统中，以使量子光信号的量子信息转移到离子阱系统的单个离子中，该第二光腔92用于获取该离子阱系统中所述单个离子的量子信息。

具体的，参照图8和图9所示，离子阱系统包括的直流电极对93、接地电极对94和射频电极对95可以称为离子阱电极，该三对电极可以用于产生电磁场，进而囚禁离子。可选的，本申请实施例提供的离子光腔耦合系统以离子阱系统包括1个直流电极对93、1个接地电极对94和1个射频电极对95进行举例说明。可以理解的是，每个光腔是由间隔一段距离且相互平行的两个光腔镜面形成的。

可选的，参照图8和图9所示，第一光腔91、第二光腔92与离子阱系统中各电极对的位置关系也可以解释如下：

第二光腔92的两个光腔镜面与上述中心线100的距离相同，上述接地电极对94的两个接地电极与射频电极对95的两个射频电极对称分布在中心线100的两侧，直流电极对93的两个直流电极的连线与上述中心线100平行。

可选的，在一种可能实现方式中，第二光腔92的两个光腔镜面的连线与中心线100具有夹角，该夹角大于0度且小于180度。

可选的，上述接地电极对94中的接地电极和相邻的射频电极之间具有夹角，该夹角大于0度且小于180度。

参照上述图8和图9所示，第二光腔92的两个光腔镜面以上述中心线100为中心对称分布(即，第二光腔92的两个光腔镜面相同位置的连线与中心线100垂直)，该第二光腔92的一个光腔镜面位于上述接地电极和相邻射频电极形成的夹角中，第二光腔92的另一个光腔镜面位于另一个接地电极和与相邻的另一个射频电极形成的夹角中。

可选的，在下述具体实施例中，以中心线100所在的方向(即，平行于中心线100的方向)为Z方向，也称为轴向，与中心线100垂直的方向为XY方向，也称为径向，或垂直于轴向。

可选的，在离子光腔耦合系统所在的空间中，假设射频电极对95设置在Y方向，接地电极对94设置在X方向，因而，可以在XY方向形成马鞍形电势能来囚禁离子。在Z方向的电极对施加的是直流电信号，因而可以称为直流电极对93，该直流电极对93用于在Z方向束缚离子。

可选的，接地电极对94的每个接地电极和射频电极对95的每个射频电极呈间隔分布，且接地电极对94的两个接地电极和射频电极对95的两个射频电极分别以中心线100为中心对称分布。

可选的，在离子阱系统中的上述至少一个离子的平衡位置所在直线中，与第一光腔的两个光腔镜面垂直的直线为中心线100。假设，该中心线100所在的方向为Z方向，该第一光腔91的两个光腔镜面分别位于直流电极对93的两个直流电极的内侧。该第一光腔91可以用于获取外部的量子光信号，进而将其发送到离子阱系统中，以使量子光信号的量子信息转移到离子阱系统的单个离子中。

可选的，第二光腔92与上述中心线100具有夹角，在一种可能实现方式中，第二光腔92的两个光腔镜面相同位置的连线可以垂直于中心线100，即第二光腔92可以垂直于Z方向进行设置，或者第二光腔92的两个光腔镜面相同位置的连线可以与中心线100成30度、45度、60度等不同的夹角。关于该夹角的具体取值可以根据实际情况确定，本申请实施例并不对其进行限定。

该第二光腔92位于接地电极对94和射频电极对95之间，即，第二光腔92的一个光腔镜面分布在接地电极对94的一个接地电极和相邻射频电极对95的一个射频电极形成的夹角中，第二光腔92的另一个光腔镜面位于接地电极对94的另一个接地电极和射频电极对95的另一个射频电极形成的夹角中。该第二光腔92可以用于获取该离子阱系统中单个离子的量子信息。

图8和图9示例性的给出了1个第一光腔91、2个第二光腔92、1个直流电极对93、1个接地电极对94、1个射频电极对95、离子阱系统中轴向排列有8个离子以及第二光腔92的两个光腔镜面的连线垂直于中心线100进行说明。值得说明的是，第二光腔92的数量可以等于或小于离子阱系统中离子的数量，而离子的数量不局限于8个，其可以有上百个，甚至更多。因而，本申请实施例中的第二光腔92、直流电极对93、接地电极对94、射频电极对95以及离子的具体数量均可以根据实际情况进行设定，本申请实施例并不对其进行限定。

可选的，在申请实施例中，该离子光腔耦合系统被设置在一个真空腔体中，当该离子光腔耦合系统被放置在该真空腔体中后，可以由真空泵组将其抽真空。真空腔体中的离子光腔耦合系统的各个电极均通过引线与外面电源连接。

离子阱系统中的直流电极对93中通入的直流电信号由电压源产生的信号经过放大器的放大产生，射频电极对95中通入的交流电信号由信号源产生的信号经过放大器的放大产生。

可选的，在本申请实施例中，离子阱系统中被囚禁的上述至少一个离子可以沿着Z轴方向排列，也即，这些至少一个离子可以排列在直流电极对93、接地电极对94和射频电极对95形成的空间中。

可选的，对于上述至少一个离子，每两个离子之间的间距大约为5nm(微米)。上述每个离子一般选用元素周期表中碱土族(即土族)的金属元素，例如，钙(Ca)、铍(Be)；或者，上述每个离子可以选用核外带两个电子的过度金属元素，例如，镱(Yb)、镉(Cd)。由于中性原子是不能感受电场力的，所以，选用的金属元素需要用激光将原子外部的电子激发，并使其从原子核上脱落，形成离子。

值得说明的是，离子选用的元素可以不同，因而，对于选择的不同元素，需要选择不同波长的激光器，并利用不同波长的激光器发射的激光来激发元素外部的电子，进而实现核外电子的剥离。例如，当选用碱土族中的金属元素钙时，需要利用波长为423nm和波长为375nm的激光器同时作用钙原子，以得到钙离子。

由上述可知，离子阱系统的直流电极对93可以在Z方向束缚离子阱系统中的离子。该直流电极对93以两个相对的直流(DC)电极的形式加在第一光腔91的两端。该直流电极对93的两个直流电极之间的距离一般在几个毫米量级，电压一般在几十伏特量级。这样的电极构架可以在Z方向产生100KHz大小的谐振束缚电势场。离子阱系统在XY方向分别是射频电极对95(两个射频交流RF电极)和接地电极对94(两个接地GND电极)。每对电极之间的间距大约为2毫米，射频交流的频率可选的在20-50MHz，电压一般为上百伏特。因而，根据上述参数计算，可以在XY方向产生1MHz大小的谐振束缚电势场。这样在三个方向都产生了束缚势场，可以同时在三个方向囚禁离子。

可选的，在离子阱系统中，每个形式的电极一般都由钨丝做成，并拉直为圆柱型，直径在1毫米左右。

可选的，在本申请的实施例中，在离子阱系统中的离子数量为至少两个时，第一光腔91和第二光腔92的束腰半径需要满足如下条件：

该第一光腔91的束腰半径大于至少两个离子中相邻两个离子的间距，第二光腔92的束腰半径小于或等于至少两个离子中相邻两个离子的间距。

这样，第一光腔91可以与离子阱中所有离子耦合，第二光腔92可以定位并获取到离子阱系统中的单个离子。

具体的，第一光腔91和第二光腔92分别分布于Z方向和垂直于Z方向。在Z方向，第一光腔91的第一光腔镜面镀第一反射膜，第二光腔镜面镀第二反射膜，该第一光腔91用于读入和存储量子光信号。第一光腔91的两个光腔镜面之间的距离大约为1毫米，束腰半径可以为50微米左右。在XY平面(垂直于Z方向)，第二光腔92(数量为一个或到多个)的第一光腔镜面镀第一反射膜，第二光腔镜面镀第二反射膜，该第二光腔92用于读出囚禁离子的量子信息。第二光腔92的两个光腔镜面之间的距离约为300微米左右，束腰半径可以到5微米左右。与两个离子的间距相比较，第二光腔92的束腰半径可以达到相同的水平，如果按照两离子间距为5微米计算，束腰半径为5微米的第二光腔92可以作用到单个离子上面，进而可以实现寻址单离子以及获取单个离子的目的。

可选地，在离子数大于2时，相邻的离子间隔相同。

在本申请的实施例中，第一光腔91用于获取量子光信号并将该量子光信号发送至离子阱系统中，以使量子光信号的量子信息转移到离子阱系统的单个离子中，具体为：

该第一光腔91用于将获取到的量子光信号发送至离子阱系统中，使该量子光信号被离子阱系统中的上述至少一个离子吸收后，该量子光信号的量子信息依次转移到这些至少一个离子的集体激发态和整体谐振模激发态中，该量子信息再从整体谐振模激发态中转移到离子阱系统的单个离子的激发态中。

可选的，在本申请实施例的离子光腔耦合系统中，第一光腔91从外界获取到量子光信号，并将其发送至离子阱系统中时，离子阱系统中的上述至少一个离子吸收量子光信号后，使得这些离子从基态变为集体激发态，因而，该量子光信号的量子信息首先转移到这些离子的集体激发态中，具体的，用|0>＝|0 ₁0 ₂…0 _N>→|1>＝∑ _ig _i|0 ₁0 ₂…1 _i…0 _N>表示，其中，|0>表示离子阱系统中的所有离子整体处于基态，|0 ₁0 ₂…0 _N>表示离子阱系统中包括的1-N个离子分别处于基态，|1>表示离子阱系统中的离子处于集体激发态，∑ _ig _i|0 ₁0 ₂…1 _i…0 _N>表示当量子光信号被上述至少一个离子吸收后，量子光信号的量子信息转移到了上述至少一个离子的集体激发态中，此时，量子信息可以在上述至少一个离子中的任何一个离子中，且可以在上述至少一个离子中相互转移，且0≤i≤N，i为整数，g _i表示离子阱系统中每个离子与第一光腔91的耦合强度。

其次，量子光信号的量子信息再从离子的集体激发态转移到离子的整体谐振模激发态。详见图10。图10为离子耦合到光腔的时能级结构的变化示意图。如图10所示，左侧为离子本身的能级结构，可以用双色拉曼虚过程实现离子从基态到激发态的能级跃迁，右侧为离子阱系统的谐振模能级结构，其能量间隔远远小于离子能级之间能量间隔，所以，离子阱系统也可以用受激拉曼过程来实现状态转移，即|1,n _ph＝0>→|0,n _ph＝1>，其中，n _ph代表离子的谐振模式，0代表基模，1代表激发模，因而，|1,n _ph＝0>中的1表示离子阱系统中的离子处于集体激发态，n _ph＝0表示离子阱系统中的没有离子处于整体谐振模激发态，而|0,n _ph＝1>中的0表示离子阱系统中没有离子处于集体激发态，n _ph＝1表示离子阱系统中的离子处于整体谐振模激发态，所以，|1,n _ph＝0>→|0,n _ph＝1>表示光子的量子信息从至少一个离子的集体激发态转移到整体谐振模激发态。由此，离子阱中的所有离子回到基态。

最后，光子的量子信息再从至少一个离子的整体谐振模激发态转移回到单个离子的激发态中，即|0,n _ph＝1>→|0 ₁…1 _j…0 _N,n _ph＝0>，光子的量子信息转移回到第j个离子中，其中，0≤j≤N，j为整数。

因而，在本实施例中，当量子信息从外部量子光信号转移到离子阱系统的离子上之后，就可以在离子串内部进行运算，从而使该量子信息转移到单个离子的激发态中(即离子串中某个离子的状态变为激发态，也可以是某个离子变为叠加态，而其余离子处于基态，本实施例中以一个离子变为激发态进行说明)。可选的，单个离子的激发态可以表示为：

可选的，在本申请的实施例中，第二光腔92用于获取离子阱系统中单个离子的量子信息，具体可以解释如下：

该第二光腔92用于通过激光定位离子阱系统中的单个离子，获取该单个离子的量子信息。

可选的，在本申请的实施例中，离子之间的间距一般为5微米，而第二光腔92的束腰半径也可以达到相同的水平，所以，可以利用激光通过第二光腔92来定位离子阱系统中的离子，而且实现单独耦合到离子阱系统中的单个离子而不影响其他离子状态的目的，所以，该第二光腔92可以获取离子阱系统中的该单个离子的量子信息，也可以说实现了单个离子寻址的功能。

可选的，在本申请实施例所示的离子阱系统中，第一光腔91与上述至少一个离子中任一个离子的耦合强度、第二光腔92与上述至少一个离子中任一个离子的耦合强度均用g ₀表示，该g ₀可以通过如下公式表示：

其中，c为光速，L为该第一光腔91或第二光腔92的长度，ω ₀为第一光腔91或第二光腔92的束腰半径，λ为量子光信号的波长，γ为离子的自发辐射率。由该公式可知，光腔的体积越大，即光的腔长度越长、光腔的束腰半径越大，则光腔与离子之间的耦合强度越弱。

可选的，为了判断光腔与离子的耦合是否为相干耦合，即耦合强度是否远远大于光腔和离子本身的损耗，本申请实施例中，引入了参数C，用于表示光腔与离子之间是否为强耦合。示例性的，利用

表示强耦合。即，如果C远远大于1，则表示光腔与离子的耦合强度远远大于光腔和离子本身的损耗，此时，光与离子之间的作用解释为相干操作，即量子信息在量子光信号与离子的传递过程中不会引入错误。

可选的，

中的g为光腔与离子的耦合强度，γ为离子的自发辐射率，即离子本身的损耗，k为光腔本身的损耗，其中，

表示光腔的精细度，L为光腔的长度，c为光速。

示例性的，在实际应用中，第一光腔91的典型实验数值为(g,k,γ)＝2π×(1.4,0.05,11.4)MHz，将其带入

可以得到C＝1.7，因而，在典型的实验数值下，第一光腔91与离子耦合强度并不能满足远远大于光腔和离子本身损耗的条件，这种情况下，第一光腔91与离子的耦合是非相干的。但是，如果将第一光腔91在离子阱系统的轴向和离子串耦合，该第一光腔91则可以耦合到多个离子，这时第一光腔91与离子的耦合强度会随着离子数目的增加而增大。

可选的，在本申请的实施例中，第一光腔91与离子阱系统中的所有离子的总耦合强度g _N用如下公式表示：

其中，N为离子阱系统中离子的总数量。

可选的，利用实验中的典型参数，取N＝53，g ₀＝2π×1.4MHz，此时，g _N＝2π×10.2MHz，相应的，(g,k,γ)＝2π×(10.2,0.05,11.4)MHz，所以，C _N＝91。此时，得到的第一光腔91与离子的耦合强度远远大于光腔和离子本身损耗的条件，实现了第一光腔91与离子在离子阱系统的轴向的相干耦合。

可选的，对于较小的光腔，即长度和束腰半径均较小的第二光腔92，可选的，第二光腔92的长度L＝100um，束腰半径ω ₀＝4um。当离子阱系统中的单个离子与第二光腔92耦合时，该第二光腔92与单个离子的耦合强度可以用

表示。

示例性的，当第二光腔92的长度L＝100um，束腰半径ω ₀＝4um时，在实际应用中，可以估算出(g,k,γ)＝2π×(6.3,0.1,11.4)MHz，相应的，可以得到C＝17.5。

由此可知，当利用第二光腔92时，不需要离子与第二光腔92的整体增强就可以达到强耦合，即第二光腔92与离子的耦合强度也远远大于第二光腔92和离子自身的损耗。通过第二光腔92和离子的耦合，并且从第二光腔92外部入射双色拉曼光束可以再将单个离子激发态中的量子信息转移为量子光信号的量子信息，从而从离子阱中读出。

本申请实施例提供的离子光腔耦合系统，利用第一光腔获取量子光信号，将该量子光信号发送至离子阱系统中，量子光信号的量子信息被离子阱系统中的至少一个离子吸收，转移到上述至少一个离子的集体激发态和整体谐振模激发态，即转移到离子内部的电子状态，最后再经过量子计算处理，量子信号最后转移到离子阱中单个离子的激发态中，最后再利用第二光腔定位到单个离子，并通过量子光信号的量子信息发射出去。该技术方案，量子光信号从第一光腔中进入离子阱系统，并且从第二光腔中射出，提高了离子与光子的量子态转移效率。

该实施例中，第一光腔91、第二光腔92与离子的耦合都是强耦合，实现了完全相干的量子态转移。

可选的，在本申请实施例提供的离子光腔耦合系统中，第一光腔91的一个光腔镜面和第二光腔92的一个光腔镜面均镀第一反射膜，第一光腔91的另一个光腔镜面和第二光腔92的另一个光腔镜面均镀第二反射膜，该第一反射膜的反射率介于第一预设范围内，该第二反射膜的反射率介于第二预设范围内，且第一预设范围的最大值小于第二预设范围的最小值。

可选的，在本实施例中，量子光信号从第一光腔91的第一光腔镜面入射到离子阱系统中，该第一光腔镜面上镀有第一反射膜，可选的，该第一反射膜的反射率不能太高(例如，99％附近比较合适)，这样，可以使量子光信号比较容易从第一光腔91入射到离子阱系统中，量子光信号和离子阱系统中的离子相互作用(被离子吸收)，未能被离子吸收的光传输到第一光腔91的第二光腔镜面处，该第二光腔镜面上镀有第二反射膜，可选的，该第二反射膜的反射率越高越好(可选的，一般在99.99％以上)，这样，传输到第一光腔91的第二光腔镜面的量子光信号被反射回离子阱系统中继续与离子相互作用，所以，量子光信号可以在第一光腔91的两个光腔镜面之间来回反射，反复与离子相互作用，从而增加了量子光信号与离子阱系统中离子的相互作用概率，即，量子光信号能够充分被离子阱系统中的离子所吸收。离子吸收量子光信号后，量子光信号的量子信息首先转移到离子阱系统中所有离子的集体激发态，再转移到整体谐振模激发态(整体谐振运动模式的激发态)，最后再通过寻址单个离子将量子信息从离子整体谐振模激发态转待单个离子的激发态中(内部量子态)，这样量子光信号的量子信息通过第一光腔91转移到了离子阱系统的单个离子的激发态中。

可选的，由于第二光腔92的第一光腔镜面镀第一反射膜，第二光腔92的第二光腔镜面镀第二反射膜，所以，离子阱系统中的单个离子均可以通过镀第一反射膜的第一光腔镜面被激光寻址，即利用第二光腔92可以通过激光作用寻址单个离子，进而将单个离子的量子信息通过第二光腔92转移到光子的量子态中，最后通过第二光腔92的第一光腔镜面将光子的量子状态从离子阱系统中读出。通过第一光腔91和第二光腔92的作用，实现了量子光信号(的量子信息)的读入读出，实现了离子中的信息的传递。

示例性的，结合上述内容，下述为本申请实施例的技术方案进行详细说明。

图11为量子光信号在离子光腔耦合系统中的传输示意图。下述首先详细介绍离子光腔耦合系统中各部分的作用。本实施例以常用的XYZ空间分布进行说明。如图11所示，该光腔耦合系统以包括1个第一光腔91、4个第二光腔92、1对直流电极对93、1对射频电极对95和1对接地电极对94进行说明。

可选的，如图11所示，第一光腔91的两个光腔镜面中心的连线与Z轴平行，第一光腔91的两个光腔镜面的制作材料可以是二氧化硅，第一光腔91的每个光腔镜面被抛光，并镀上反射膜，使其能够反射紫外光。可选的，第一光腔91的两个光腔镜面之间的距离约为2毫米，形成的第一光腔91的束腰半径大约为100微米。

可选的，第二光腔92的两个光腔镜面中心的连线与Z轴垂直。每个第二光腔92可以由光纤制成，可以称为光纤光腔，多个第二光腔92组成光纤光腔阵列，光纤光腔阵列中每个第二光腔92在同一时刻可以对应一个离子96，而在不同时刻，该第二光腔92还可以用于对应另一个离子(图中只画了四个第二光腔92，实际上，第二光腔92的数量可以为大于或等于1且小于或等于离子总数量的整数)。实际应用中，第二光腔92(光纤光腔)可以由标准的裸光纤制作而成，也可以由模式与光模式一致的光纤做成。

例如，当采用标准的紫外光纤制作第二光腔92时，可选的，首先利用二氧化碳激光器聚焦到光纤断面表面，加工出需要的光纤断面半径。比如，制成球面半径为150微米的第二光腔92，束腰半径的典型值可以做到5微米，每两个第二光腔92之间的间距为300微米(即第二光腔92的两个光腔镜面的距离)。

可选的，离子阱系统的电势主要由6个不同电压和方向的电极实现。在第一光腔91的两个光腔镜面中心连线的方向(Z方向)放置有一个直流电极对93，直流电极对93中的两个直流电极之间的距离在几个毫米(可选为3毫米)，每个直流电极加上相同的直流电压，根据需要的电势不同，可以选取10V-50V。本实施例中，由于需要在Z方向弱囚禁离子，所以选取较小的电压。可选的，可以在每个直流电极上施加20V的电压，这样可以在Z方向产生100KHz大小的囚禁势能。

相应的，在垂直于第一光腔91的两个光腔镜面中心连线的方向(在XY方向)分别放置一个射频电极对95和一个接地电极对94，射频电极的施加电压一般为200V-500V的高压，频率为30-40MHz。可选的，在本申请实施例中，可以选用35MHz的交流信号和300V的交流电压实现。射频电极对95中的两个射频电极和接地电极对94中的两个接地电极之间的距离可以为1毫米，这样，可以在XY方向上产生1MHz大小的囚禁势能。

可选的，射频电极对95和接地电极对94可以由钨丝拉直成圆柱形，直流电极对93的尖端可以由圆柱电极通过电化学腐蚀的方法制作而成，具体的，可以通过控制电化学腐蚀的速度来控制直流电极对93中每个直流电极的尖端角度。

可选的，图11中的离子光腔耦合系统需要放置在超导真空腔体里面，用真空泵将其抽为真空，真空度达到10^(-11)毫巴(mbar)。该系统中的所有电信号由外部电源通过真空引线接入真空电极实现，射频电信号通过对应频率的微波源产生，由于微波源不能产生300V这么高的电压，所以，利用一个外部的射频放大器来实现电压放大的功能，例如，采用螺旋共振器(helical resonator)来实现这个功能。直流电信号可以通过一个电压源产生，进而经过一个功率放大器得到大小为20V的直流信号。

可选的，在本实施例中，利用电流源给放置了对应原子的金属管通电流来加热该原子，使得原子蒸发喷射出金属管，再通过离子化的激光作用于喷射的原子束，以打掉原子外部的电子，得到离子，得到的离子能够感受到外部的电场，从而，在离子阱系统中规则排布形成一维链状结构。

可选的，当离子光腔耦合系统中的所有电学信号和真空状态已经达到要求后，该系统就可以开始获取外部的量子光信号，使得量子光信号从第一光腔91的第一光腔镜面入射，透过该第一光腔镜面后和离子阱系统中的离子串相互作用。

在本实施例中，量子光信号的波长和离子的能级间隔完全相同，并且和第一光腔91的某个光场模式也完全相同，所以，会有共振增强的效应，使得量子光信号的吸收增强。当离子吸收了量子光信号后，会把量子光信号的量子信息相干地转移到离子的集体激发态上，即|0>＝|0 ₁0 ₂…0 _N>→|1>＝∑ _ig _i|0 ₁0 ₂…1 _i…0 _N>，再通过双色拉曼激光把量子信息从离子集体激发态转移到离子的整体谐振模激发态中，即|1,n _ph＝0>→|0,n _ph＝1>，最后，仍然使用双色拉曼激光的方法，将量子信息从离子的整体谐振模激发态转移到单个离子的激发态中，即|0,n _ph＝1>→|0 ₁…1 _j…0 _N,n _ph＝0>，从而完成了离子串的量子信息相干吸收过程。

可选的，在完成了离子的量子信息吸收过程后，该离子阱系统中的离子可以根据吸收的量子信息继续做量子信息处理，在完成了某个量子信息的处理任务后，进而将得到的量子信息保存到某个离子的激发态中。在需要读出时候，可以直接将离子的激发态通过对应的第二光腔92转移到光子的量子态中，即

从而从离子阱系统中读出。

综上，该离子光腔耦合系统实现了量子光信号的接收、量子光信号的量子信息处理以及和量子光信号的读出。

本申请实施例中采用第一光腔和第二光腔来耦合离子，实现了单个离子的寻址。此外，由于第二光腔有极小的束腰半径，因而，可以只作用在单个离子上而不影响其他离子的状态，第一光腔实现了离子和光腔的耦合强度增强，并且在这种结构下，同时实现了光腔与离子的强耦合和单个离子寻址。

此外，该光腔耦合系统的最大优势是没有可移动的光学元件。但是，由于前面提到离子会在离子阱系统中做谐振运动，特别是微运动会改变离子的平衡位置，使得离子不再位于第二光腔的中心位置：

这种情况下，可以通过调节外部补偿电极的电压最小化离子的微运动，即使得qi尽可能接近0，这样可以使得需要传输量子信息的通信离子位于第二光腔的中心，从而提高了耦合效率。

本申请实施例的离子光腔耦合系统分别利用不同的光腔耦合离子，并获取和读出量子光信号，避免了用同一个光腔读入读出带来的一半损耗，其次，该系统同时实现了离子与光腔的耦合强度增强和单个离子寻址，而且降低了该系统中量子光信号的读入读出操作复杂度。

进一步的，图12为本申请实施例提供的离子光腔耦合方法实施例的流程示意图。该离子光腔耦合方法适用于离子光腔耦合系统，该离子光腔耦合系统包括：第一光腔、第二光腔，以及离子阱系统，该离子阱系统，包括：直流电极对、接地电极对和射频电极对。其中，该离子阱系统中排列有至少一个离子，至少一个离子的平衡位置所在直线为中心线，该中心线与第一光腔的两个光腔镜面垂直；第一光腔的两个光腔镜面对称分布在至少一个离子的两侧，第二光腔的两个光腔镜面分布在第一光腔的两个光腔镜面形成的空间中，且第二光腔与该中心线具有夹角。直流电极对的两个直流电极对称分布在第一光腔的两个光腔镜面的外侧，接地电极对和射频电极对分布在第一光腔的两个光腔镜面形成的空间中。

可选的，参照图12所示，该离子光腔耦合方法可以包括如下步骤：

步骤121：利用第一光腔获取量子光信号，并将获取到的量子光信号发送至离子阱系统中，该量子光信号携带量子信息。

可选的，在本申请的实施例中，第一光腔通过一个光腔镜面获取外界的量子光信号，该光腔镜面上镀有第一反射膜，该第一反射膜可以允许量子光信号通过，因而，第一光腔可以将获取到的量子光信号发送至离子阱系统中。由于本申请实施例中需要利用量子光信号的量子信息实现离子中信息的转移，所以，该量子光信号携带有量子信息。

步骤122：利用第一光腔和离子阱系统，将上述量子光信号的量子信息转移到离子阱系统的单个离子中。

其中，该离子阱系统的直流电极对、接地电极对和射频电极对形成的空间中且在中心线上排列有至少一个离子。

可选的，在本申请实施例中，量子光信号通过第一光腔的一个光腔镜面入射到离子阱系统中，离子阱系统的直流电极对、接地电极对和射频电极对形成的空间中且在中心线上排列有至少一个离子，所以，入射到离子阱系统中的量子光信号可以和离子阱系统中的离子相互作用(被离子吸收)，未能被离子吸收的光传输到第一光腔的另一个光腔镜面处，该光腔镜面上镀有第二反射膜，该第二反射膜可以阻止量子光信号从该光腔镜面射出离子阱系统。

这样，鉴于离子阱系统中直流电极对、射频电极对以及接地电极对产生的囚禁作用，量子光信号可以在第一光腔的两个光腔镜面之间来回反射，反复与离子相互作用，从而增加了量子光信号与离子阱系统中离子的相互作用概率。

具体的，该步骤122(利用第一光腔和离子阱系统，将上述量子光信号的量子信息转移到离子阱系统的单个离子中)具体可以解释为如下：

利用第一光腔和离子阱系统的囚禁作用，使量子光信号被离子阱系统中的至少一个离子吸收；其中，该量子光信号的量子信息依次转移到至少一个离子的集体激发态和整体谐振模激发态中，再从该整体谐振模激发态中转移到离子阱系统的单个离子的激发态中。

可选的，离子阱系统中的上述至少一个离子吸收量子光信号后，使得这些离子的从基态变为集体激发态，因而，该量子光信号的量子信息首先转移到至少一个离子的集体激发态中，离子阱系统中离子之间相互作用，量子光信号的量子信息再从离子的集体激发态转移到离子的整体谐振模激发态，最后再从离子的整体谐振模激发态转移回到单个离子的激发态中。

步骤123：利用第二光腔获取离子阱系统中单个离子的量子信息。

可选的，在本申请的实施例中，第二光腔的束腰半径与两个离子之间的间距可以达到相同的水平，所以，可以利用该第二光腔获取离子阱系统中单个离子的量子信息。

具体的，该步骤123(利用第二光腔获取离子阱系统中单个离子的量子信息)具体可以解释为如下步骤：

步骤A1：利用激光通过第二光腔，定位上述离子阱系统中的单个离子。

步骤A2：利用第二光腔，获取上述单个离子的量子信息。

可选的，由于第二光腔的束腰半径可以做到与两离子间距的水平，所以，可以利用激光通过第二光腔定位到离子阱系统中的单个离子，进而实现单独耦合到离子阱系统中的单个离子而不影响其他离子状态的目的，所以，该第二光腔可以获取离子阱系统中的该单个离子的量子信息，也可以说实现了单个离子寻址的功能。

可选的，关于本申请实施例提供的离子光腔耦合方法中未披露的信息可以参见上述图8至图11所示的离子光腔耦合系统中的介绍，此处不再赘述。

本申请实施例提供的离子光腔耦合方法，首先利用第一光腔获取量子光信号，并将获取到的量子光信号发送至离子阱系统中，该量子光信号携带量子信息，其次利用第一光腔和离子阱系统，将上述量子光信号的量子信息转移到离子阱系统的单个离子中，最后再利用第二光腔获取离子阱系统中单个离子的量子信息。该技术方案中，量子光信号从第一光腔进入离子阱系统，并且从第二光腔取出，避免了用同一个光腔读入读出带来的一半损耗，提高了离子与光子的量子态转移效率。

可选的，在本申请实施例的一种可能实现方式中，在上述离子阱系统中，第一光腔与上述至少一个离子中任一个离子的耦合强度、第二光腔与上述至少一个离子中任一个离子的耦合强度均用g ₀表示，所述g ₀通过如下公式表示：

其中，c为光速，L为第一光腔或第二光腔的长度，ω ₀为第一光腔或第二光腔的束腰半径，λ为量子光信号的波长，γ为单离子的自发辐射率。

可选的，第一光腔与离子阱系统中的所有离子的总耦合强度g _N用如下公式表示：

其中，该N为离子阱系统中离子的总数量。

可选的，在本申请实施例的另一种可能实现方式中，第一光腔的第一光腔镜面和第二光腔的第一光腔镜面均镀第一反射膜，该第一光腔的第二光腔镜面和第二光腔的第二光腔镜面均镀第二反射膜。

其中，该第一反射膜的反射率介于第一预设范围内，第二反射膜的反射率介于第二预设范围内，第一预设范围的最大值小于第二预设范围的最小值。

可选的，在本申请实施例的再一种可能实现方式中，上述第二光腔的两个光腔镜面与中心线的距离相同，接地电极对的两个接地电极与射频电极对的两个射频电极对称分布在中心线的两侧，直流电极对的两个直流电极的连线与中心线平行。

可选的，在本申请实施例的又一种可能实现方式中，该接地电极对中的接地电极和相邻的射频电极之间具有夹角，该夹角大于0度且小于180度。

该第二光腔的两个光腔镜面以上述中心线为中心对称分布，第二光腔的一个光腔镜面位于上述接地电极和相邻射频电极形成的夹角中，第二光腔的另一个光腔镜面位于另一个接地电极与相邻的另一个射频电极形成的夹角中。

可选的，在本申请实施例的又一种可能实现方式中，在上述离子阱系统中的离子数量为至少两个时，第一光腔的束腰半径大于至少两个离子中相邻两个离子的间距，第二光腔的束腰半径小于至少两个离子中相邻两个离子的间距。可选地，在离子数大于2时，相邻的离子间隔相同。

本申请实施例提供的离子光腔耦合方法，可利用上述8至图11所示离子光腔耦合系统实现，其实现原理和技术效果类似，在此不再赘述。

本文中的术语“多个”是指两个或两个以上。本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系；在公式中，字符“/”，表示前后关联对象是一种“相除”的关系。

可以理解的是，在本申请的实施例中涉及的各种数字编号仅为描述方便进行的区分，并不用来限制本申请的实施例的范围。

可以理解的是，在本申请的实施例中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请的实施例的实施过程构成任何限定。

Claims

一种离子光腔耦合系统，其特征在于，包括：第一光腔、第二光腔、直流电极对、接地电极对和射频电极对；

所述第一光腔包括两个光腔镜面，在所述第一光腔的两个光腔镜面形成的空间中排列有至少一个离子；

所述第二光腔的两个光腔镜面形成的空间与所述第一光腔的两个光腔镜面形成的空间存在交集；

所述直流电极对的两个直流电极分别分布在所述第一光腔的两个光腔镜面的外侧，所述接地电极对和所述射频电极对分布在所述第一光腔的两个光腔镜面形成的空间中；

所述第一光腔用于获取量子光信号，并将所述量子光信号的量子信息转移到所述至少一个离子中的单个离子中；

所述第二光腔用于获取所述单个离子中的量子信息。
根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一光腔用于获取量子光信号，并将所述量子光信号的量子信息转移到所述至少一个离子中的单个离子中，包括：

所述第一光腔用于将获取到的所述量子光信号发送至所述第一光腔的两个光腔镜面形成的空间中，使所述量子光信号被所述至少一个离子吸收，所述量子光信号的量子信息依次转移到所述至少一个离子的集体激发态和整体谐振模激发态中，再从所述整体谐振模激发态中转移到所述单个离子的激发态中。
根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第二光腔用于获取所述单个离子中的量子信息，包括：

所述第二光腔用于通过激光定位所述单个离子，获取所述单个离子中的量子信息。
根据权利要求1-3任一项所述的系统，其特征在于，所述第一光腔与所述至少一个离子中任一个离子的耦合强度、所述第二光腔与所述至少一个离子中任一个离子的耦合强度均用g ₀表示，所述g ₀通过如下公式表示：

其中，c为光速，L为所述第一光腔或所述第二光腔的长度，ω ₀为所述第一光腔或所述第二光腔的束腰半径，λ为量子光信号的波长，γ为离子的自发辐射率。
根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述系统中的所有离子的总耦合强度g _N用如下公式表示：

其中，所述N为所述系统中离子的总数量。
根据权利要求1-5任一项所述的系统，其特征在于，所述第一光腔的第一光腔镜面和所述第二光腔的第一光腔镜面均镀第一反射膜，所述第一光腔的第二光腔镜面和所述第二光腔的第二光腔镜面均镀第二反射膜，所述第一反射膜的反射率介于第一预设范围内，所述第二反射膜的反射率介于第二预设范围内，所述第一预设范围的最大值小于所述第二预设范围的最小值。
根据权利要求1-6任一项所述的系统，其特征在于，所述至少一个离子的数量为一个时，所述第二光腔的两个光腔镜面与所述离子的平衡位置之间的距离相同，所述接地电极对的两个接地电极与所述射频电极对的两个射频电极分布在所述离子的两侧。
根据权利要求1-6任一项所述的系统，其特征在于，所述至少一个离子的数量大于1时，所述至少一个离子的平衡位置所在直线为中心线，所述第二光腔的两个光腔镜面与所述中心线之间的距离相同，所述接地电极对的两个接地电极与所述射频电极对的两个射频电极分布在所述中心线的两侧，所述直流电极对的两个直流电极的连线与所述中心线平行。
根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述接地电极对中的接地电极和相邻的射频电极之间具有夹角，所述夹角大于0度且小于180度；

所述第二光腔的两个光腔镜面以所述中心线为中心对称分布，所述第二光腔的一个光腔镜面位于所述接地电极和相邻射频电极形成的夹角中，所述第二光腔的另一个光腔镜面位于另一个接地电极与相邻的另一个射频电极形成的夹角中。
根据权利要求1-6任一项所述的系统，其特征在于，所述至少一个离子的数量大于1时，所述第一光腔的束腰半径大于相邻两个离子的间距，所述第二光腔的束腰半径小于或等于相邻两个离子的间距。
一种离子光腔耦合方法，其特征在于，适用于离子光腔耦合系统，所述离子光腔耦合系统包括：第一光腔、第二光腔、直流电极对、接地电极对和射频电极对，所述第一光腔包括两个光腔镜面，在所述第一光腔的两个光腔镜面形成的空间排列有至少一个离子；所述第二光腔的两个光腔镜面形成的空间与所述第一光腔的两个光腔镜面形成的空间存在交集；所述直流电极对的两个直流电极分别分布在所述第一光腔的两个光腔镜面的外侧，所述接地电极对和所述射频电极对分布在所述第一光腔的两个光腔镜面形成的空间中；

所述方法包括：

利用所述第一光腔获取量子光信号，并将所述量子光信号发送至所述第一光腔的两个光腔镜面形成的空间中，所述量子光信号携带量子信息；

利用所述第一光腔，将所述量子光信号的量子信息转移到所述至少一个离子中的单个离子中；

利用所述第二光腔获取所述单个离子中的量子信息。
根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述利用所述第一光腔，将所述量子光信号的量子信息转移到所述至少一个离子中的单个离子中，包括：

利用所述第一光腔和三个电极对形成的囚禁作用，使所述量子光信号被所述至少一个离子吸收；其中，所述量子光信号的量子信息依次转移到所述至少一个离子的集体激发态和整体谐振模激发态中，再从所述整体谐振模激发态中转移到所述单个离子的激发态中。
根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述利用所述第二光腔获取所述单个离子中的量子信息，包括：

利用激光通过所述第二光腔，定位所述单个离子；

利用所述第二光腔，获取所述单个离子的量子信息。
根据权利要求11-13任一项所述的方法，其特征在于，所述第一光腔与所述至少一个离子中任一个离子的耦合强度、所述第二光腔与所述至少一个离子中任一个离子的耦合强度均用g ₀表示，所述g ₀通过如下公式表示：

其中，c为光速，L为所述第一光腔或所述第二光腔的长度，ω ₀为所述第一光腔或所述第二光腔的束腰半径，λ为量子光信号的波长，γ为单离子的自发辐射率。
根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述系统中的所有离子的总耦合强度g _N用如下公式表示：

其中，所述N为所述系统中离子的总数量。
根据权利要求11-15任一项所述的方法，其特征在于，所述第一光腔的第一光腔镜面和所述第二光腔的第一光腔镜面均镀第一反射膜，所述第一光腔的第二光腔镜面和所述第二光腔的第二光腔镜面均镀第二反射膜，所述第一反射膜的反射率介于第一预设范围内，所述第二反射膜的反射率介于第二预设范围内，所述第一预设范围的最大值小于所述第二预设范围的最小值。
根据权利要求11-16任一项所述的方法，其特征在于，所述至少一个离子的数量为一个时，所述第二光腔的两个光腔镜面与所述离子的平衡位置之间的距离相同，所述接地电极对的两个接地电极与所述射频电极对的两个射频电极分布在所述离子的两侧。
根据权利要求11-16任一项所述的方法，其特征在于，所述至少一个离子的数量大于1时，所述至少一个离子的平衡位置所在直线为中心线，所述第二光腔的两个光腔镜面与所述中心线之间的距离相同，所述接地电极对的两个接地电极与所述射频电极对的两个射频电极分布在所述中心线的两侧，所述直流电极对的两个直流电极的连线与所述中心线平行。
根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述接地电极对中的接地电极和相邻的射频电极之间具有夹角，所述夹角大于0度且小于180度；

所述第二光腔的两个光腔镜面以所述中心线为中心对称分布，所述第二光腔的一个光腔镜面位于所述接地电极和相邻射频电极形成的夹角中，所述第二光腔的另一个光腔镜面位于另一个接地电极与相邻的另一个射频电极形成的夹角中。
根据权利要求11-16任一项所述的方法，其特征在于，所述至少一个离子的数量大于1时，所述第一光腔的束腰半径大于相邻两个离子的间距，所述第二光腔的束腰半径小于或等于相邻两个离子的间距。