特許 7093394 量子計算用途の２色レーザー

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-06-21

(45)【発行日】2022-06-29

(54)【発明の名称】量子計算用途の２色レーザー

(51)【国際特許分類】

   H01S 3/10 20060101AFI20220622BHJP

   G02F 1/33 20060101ALI20220622BHJP

   H01S 3/23 20060101ALI20220622BHJP

   H01S 3/00 20060101ALI20220622BHJP

   G06N 10/00 20220101ALI20220622BHJP

   G06N 20/00 20190101ALI20220622BHJP

【ＦＩ】

H01S3/10 Z

G02F1/33

H01S3/23

H01S3/00 A

G06N10/00

G06N20/00

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2020200097

(22)【出願日】2020-12-02

(65)【公開番号】P2021090054

(43)【公開日】2021-06-10

【審査請求日】2020-12-02

(31)【優先権主張番号】16/702,896

(32)【優先日】2019-12-04

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(73)【特許権者】

【識別番号】500575824

【氏名又は名称】ハネウェル・インターナショナル・インコーポレーテッド

【氏名又は名称原語表記】Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｃ．

(74)【代理人】

【識別番号】100118902

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 修

(74)【代理人】

【識別番号】100106208

【弁理士】

【氏名又は名称】宮前 徹

(74)【代理人】

【識別番号】100196508

【弁理士】

【氏名又は名称】松尾 淳一

(74)【代理人】

【識別番号】100147991

【弁理士】

【氏名又は名称】鳥居 健一

(72)【発明者】

【氏名】マシュー・ボーン

(72)【発明者】

【氏名】マシュー・スワローズ

(72)【発明者】

【氏名】パトリシア・リー

【審査官】高椋 健司

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１９／０２１０１０（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１９／１５００９７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１９／０７３２０２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１９／０１９０２２５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】中国特許出願公開第１０８１９６４１２（ＣＮ，Ａ）

【文献】Jesus Palaci et al.，"Tunable optical delay line based on single-sideband suppressed-carrier modulation"，IEEE Photonics Technology Letters，米国，IEEE，2013年01月01日，Volume: 25, Issue: 1，43 - 46，https://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=6353517，DOI: 10.1109/LPT.2012.2227697

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｓ ３／００ －３／０２

Ｈ０１Ｓ ３／０４ －３／０９５９

Ｈ０１Ｓ ３／０９８－３／１０２

Ｈ０１Ｓ ３／１０５－３／１３１

Ｈ０１Ｓ ３／１３６－３／２１３

Ｈ０１Ｓ ３／２３ －４／００

Ｇ０２Ｆ １／００ －１／１２５

Ｇ０２Ｆ １／２１ －７／００

ＩＥＥＥ Ｘｐｌｏｒｅ

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

多重周波数レーザーシステムであって、
マスタビームを生成するように構成されたマスタ発振器と、
前記マスタビームを第１のビーム及び第２のビームに分割するように構成されたアーム分割器であって、前記第１のビームは、一次モードビームを生成するための一次モードアームに提供され、前記第２のビームは、側波帯モードビームを生成するための側波帯モードアームに提供される、アーム分割器と、
前記側波帯モードアームであって、
前記第２のビームを変調して、側波帯を含むビームを生成するように構成された変調器と、
側波帯を含む前記ビームから特定の側波帯モードを選択して、選択された側波帯ビームを生成するように構成されたフィルタと、
前記特定の側波帯モードを増幅し、前記選択された側波帯モードの他の残留モードを抑制するように構成された増幅器キャビティと、
増幅された選択された側波帯ビームのそれぞれのモードの周波数をシフトして、側波帯モードビームを生成するように構成された音響光学変調器と、を含む、前記側波帯モードアームと、を備え、
前記一次モードビーム及び前記側波帯モードビームは、量子ゲートを実現するために、１つ以上の原子オブジェクトに協調的に提供される、多重周波数レーザーシステム。

【請求項2】

前記一次モードビームと前記側波帯モードビームとの間の相対エネルギー差が、前記多重周波数レーザーシステムを含む量子コンピュータ用に規定された量子ビット空間の２つの状態間のエネルギー差に基づいて決定される、請求項１に記載の多重周波数レーザーシステム。

【請求項3】

前記一次モードビームと前記側波帯モードビームとの間の相対位相差及び／又は相対周波数差を安定化するように構成されたサーボシステムを更に備え、前記サーボシステムは、少なくとも１つの局部発振器信号及びダイレクトデジタルシンセサイザ（ＤＤＳ）信号を入力として受信する、請求項１に記載の多重周波数レーザーシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

様々な実施形態は、２色レーザーシステムに関する。様々な実施形態は、位相制御機構を備えた２色レーザーシステムに関する。

【背景技術】

【0002】

様々な原子システムにおいて、レーザービームを特定の周波数で、並びに／又は特定の周波数分離及び／若しくは位相関係を有するレーザービーム群をシステムに送達可能であることが重要である。例えば、イオントラップ型量子計算は、レーザービームを使用して、イオントラップ型量子コンピュータ内の様々な機能を完了する。例えば、量子コンピュータの論理ゲートは、レーザービームを使用して実施され得る。このような用途は、レーザーが、位置、周波数、及び位相に関して精密かつ正確にイオントラップに送達されることを必要とする。

【発明の概要】

【0003】

例示的な実施形態は、２色レーザーシステム、対応するサーボシステム、及び対応する方法を提供する。様々な実施形態では、２色レーザーシステム及び／又は対応するサーボシステムは、量子コンピュータ内で量子ゲートを実行するために使用される。

【0004】

一態様によれば、多重周波数レーザーシステムが提供される。例示的な一実施形態では、多重周波数レーザーシステムは、マスタビームを生成するように構成されたマスタ発振器と、マスタビームを第１のビーム及び第２のビームに分割するように構成されたアーム分割器と、を備える。第１のビームは、一次モードビームの生成のために一次モードに提供され、第２のビームは、側波帯モードビームの生成のために側波帯モードアームに提供される。多重レーザー周波数システムは、側波帯ビームアームを更に備え、側波帯ビームアームは、第２のビームを変調して側波帯を含むビームを生成するように構成された変調器と、側波帯を含むビームから特定の側波帯モードを選択して、選択された側波帯ビームを生成するように構成されたフィルタと、特定の側波帯モードを増幅し、選択された側波帯モードの他の残留モードを抑制するように構成された増幅器キャビティと、増幅された選択された側波帯ビームのそれぞれのモードの周波数をシフトして、側波帯モードビームを生成するように構成された音響光学変調器と、を含む。一次モードビーム及び側波帯モードビームは、量子ゲートを実現するために、１つ以上の原子オブジェクトに協調的に提供される。

【0005】

例示的な一実施形態では、フィルタはエタロンである。例示的な一実施形態では、エタロンは、温度制御された炉によって一定の温度に維持される。例示的な一実施形態では、一次モードアーム及び側波帯モードアームはそれぞれ１組の非線形光学素子を含む。例示的な一実施形態では、１組の非線形光学素子は、第２高調波発生キャビティを含む。例示的な一実施形態では、一次モードビーム及び側波帯モードビームが非共伝搬ビームとして提供されるとき、一次モードビーム及び側波帯モードビームは、ダブルパス音調光学変調器の作動を介して局部発振器に位相固定される。例示的な一実施形態では、ダブルパス音調光学変調器は、１組の非線形光学素子の上流で一次モードアームの光路及び側波帯モードの光路に位置する。例示的な一実施形態では、一次モードビームの周波数と側波帯モードビームの周波数との間の相対差は、１組の非線形光学素子の下流で測定される。例示的な一実施形態では、システムは、相対差の測定に基づいて一次モードビーム及び側波帯モードビームを位相固定するように構成された一次モードアームの１組の非線形光学素子及び側波帯モードアームの１組の非線形光学素子の上流に位置する音響光学変調器を更に備える。例示的な一実施形態では、一次モードビームと側波帯モードビームとの間の相対エネルギー差は、多重周波数レーザーシステムを含む量子コンピュータ用に規定された量子ビット空間の２つの状態間のエネルギー差に基づいて決定される。例示的な一実施形態では、一次モードビーム及び側波帯モードビームが共伝搬ビームであるとき、一次モードビームと側波帯モードビームとの間の相対位相差は、無線周波数発振器を使用して安定化される。例示的な一実施形態では、システムは、一次モードビームと側波帯モードビームとの間の相対位相差及び／又は相対周波数差を安定化するように構成されたサーボシステムを更に備える。例示的な一実施形態では、サーボシステムは、少なくとも１つの局部発振器信号及びダイレクトデジタルシンセサイザ（ＤＤＳ）信号を入力として受信する。例示的な一実施形態では、ＤＤＳ信号は、サーボシステムの入力アームの一部として提供され、サーボシステムの出力アームに提供される。例示的な一実施形態では、ＤＤＳ信号は、遅延線を介してサーボシステムの出力アームに提供される。例示的な一実施形態では、サーボシステムの出力アームへのＤＤＳ信号の適用は、一次モードビーム及び側波帯モードビームのうちの少なくとも１つの不連続な相変化を可能にする。

【0006】

一態様によれば、多重周波数レーザーシステムに連結されたサーボシステムが提供される。例示的な一実施形態では、サーボシステムは、多重周波数レーザーシステムによって生成される一次モードビームと側波帯モードビームとの間の相対位相差及び／又は相対周波数差を安定化するように構成される。例示的な一実施形態では、サーボシステムは、サーボに入力信号を提供するように構成された入力アームと、入力として局部発振器信号及びダイレクトデジタルシンセサイザ（ＤＤＳ）信号を受信するように構成された入力アームと、サーボからの出力信号及びＤＤＳ信号を受信するように構成された出力アームと、を備える。

【0007】

例示的な一実施形態では、ＤＤＳ信号は、ＤＤＳ信号の変更に対する時間遅延を補償するように構成された遅延線を介して、サーボシステムの出力アームに提供され、サーボシステムを介して伝搬される。例示的な一実施形態では、サーボシステムの出力アームへのＤＤＳ信号の適用は、一次モードビーム及び側波帯モードビームのうちの少なくとも１つの不連続な相変化を可能にする。例示的な一実施形態では、入力アームは、一次モードビームと側波帯モードビームとの間の相対周波数差に対応するうなり周波数信号を更に受信する。

【図面の簡単な説明】

【0008】

このように本発明を一般的な用語で説明してきたが、ここで、必ずしも縮尺どおりに描かれていない添付図面を参照する。

【0009】

【図1】例示的な一実施形態による、例示的な原子オブジェクトトラップ型量子コンピュータの概略図を提供する。

【0010】

【図2】例示的な一実施形態による、例示的な２色レーザーシステムのブロック図を提供する。

【0011】

【図3A】例示的な一実施形態による、例示的なサーボシステムのブロック図を提供する。

【0012】

【図3B】例示的な一実施形態による、例示的なダブルパス音響光学変調器（ＡＯＭ）の概略図を提供する。

【0013】

【図4】例示的な一実施形態による、使用され得る例示的なコントローラの概略ダイアグラムを提供する。

【0014】

【図5】例示的な一実施形態による、使用され得る例示的な計算エンティティの概略図を提供する。

【発明を実施するための形態】

【0015】

ここで、本発明を、本発明の全てではなくいくつかの実施形態が示される添付図面を参照しながら以下により完全に説明する。実際に、本発明は、多くの異なる形態で具現化されてもよく、本明細書に記載される実施形態に限定されるものとして解釈されるべきではなく、むしろ、これらの実施形態は、本開示が適用可能な法的要件を満たすように提供される。「又は」という用語（「／」とも示される）は、別様に示唆されない限り、代替的及び連言的な意味の両方で本明細書にて使用される。「図示の」及び「例示の」という用語は、品質レベルの指示のない例として使用される。「概して」及び「およそ」という用語は、別様に示されない限り、エンジニアリング及び／若しくは製造上の制限内、並びに／又はユーザ測定能力内のものを指す。同様の数字は、全体をとおして同様の要素を指す。

【0016】

上述のように、様々な原子システムでは、位置、周波数、及び／又は位相に関して、１つ以上のレーザービームを原子システムに精密かつ正確に送達可能であることが重要である。例えば、原子時計、ボース・アインシュタイン凝縮システム、イオントラップ型システム、及び／又は他の原子システムなどの原子システムでは、様々なシステムの用途、システムの操作などのために精密かつ正確なレーザービームの送達が重要である。ここでは、原子オブジェクト（例えば、イオン）トラップ型量子コンピュータシステムに対応する様々な例示的実施形態についてより詳細に説明する。
例示的な量子コンピュータシステム

【0017】

図１は、例示的な一実施形態による、例示的な原子オブジェクトトラップ型量子コンピュータシステム１００の概略図を提供する。様々な実施形態において、量子コンピュータシステム１００は、計算エンティティ１０と、量子コンピュータ１１０と、を備える。様々な実施形態では、量子コンピュータ１１０のコントローラ３０は、１つ以上の有線及び／又は無線ネットワーク２０を介して計算エンティティ１０と通信してもよい。様々な実施形態では、量子コンピュータ１１０は、コントローラ３０、トラップ５０を密閉する極低温及び／又は真空チャンバ４０、１つ以上の操作ソース６４（６４Ａ、６４Ｂ）、１つ以上の２色レーザーシステム２００、１つ以上のサーボシステム３００などを含む。様々な実施形態では、トラップ５０は、その中に１つ以上の原子オブジェクトをトラップするように構成され、操作ソース６４は、光路６６（例えば、６６Ａ、６６Ｂ）を介してトラップ５０の１つ以上の部分に操作信号を提供するように構成される。様々な実施形態では、操作信号は、１つ以上の原子オブジェクトを量子ビット空間に初期化する、冷却操作を実行する、測定操作を実行するなどのために使用されてもよい。様々な実施形態では、２色レーザーシステム２００は、トラップ５０の１つ以上の部分に１つ以上の信号を提供して、１つ以上の量子ゲート（例えば、量子論理ゲート）を実現するように構成される。様々な実施形態では、量子ゲートは、１つの量子ビットゲート、２つの量子ビットゲートなどであってもよい。様々な実施形態では、１つ以上のゲート信号は、光路（複数可）６８を介してトラップ５０の１つ以上の部分に提供されてもよい。様々な実施形態では、光路６８はサーボシステム３００を含む。様々な実施形態では、トラップ５０内にトラップされた原子オブジェクトは、イオン、原子などである。例えば、例示的な一実施例では、原子オブジェクトはイッテルビウムイオンである。例示的な一実施例では、原子オブジェクトは、量子ビットイオン及び対応する冷却イオンを含む。

【0018】

様々な実施形態では、計算エンティティ１０は、ユーザが、入力を（例えば、計算エンティティ１０のユーザインターフェースを介して）量子コンピュータシステム１００に提供し、量子コンピュータシステム１００からの出力を受信すること、視認することなどを可能にするように構成される。計算エンティティ１０は、１つ以上の有線又は無線ネットワーク２０を介してコントローラ３０と通信してもよい。例えば、計算エンティティ１０は、量子コンピュータ１１０による実行のために量子回路をコントローラ３０に提供するように構成されてもよく、コントローラ３０は、１つ以上の量子回路の実行結果を計算エンティティ１０に提供してもよい。

【0019】

様々な実施形態では、コントローラ３０は、トラップ５０を制御するように構成され、冷却及び／又は真空システム（図示せず）は、極低温及び／若しくは真空チャンバ４０、操作ソース６４、２色レーザーシステム２００、サーボ３００、並びに／又は量子コンピュータ１１０の他の構成要素（例えば、量子コンピュータの出力を「読み取る」ように構成された光学収集システム）内の温度及び圧力を制御する。様々な実施形態では、コントローラ３０は、計算エンティティ１０によって提供される、かつ／又はコントローラ３０によって生成される実行可能命令、コマンドセットなどに従って、量子コンピュータ１１０の様々な構成要素を制御するように構成される。様々な実施形態では、コントローラ３０は、量子コンピュータ１１０から（例えば、光学収集システムから）出力を受信し、出力及び／又は出力を処理した結果を計算エンティティ１０に提供するように構成される。
例示的な２色レーザーシステム

【0020】

様々な実施形態では、２色レーザーシステム２００は、量子コンピュータ１１０の量子ビットとして使用するために、原子オブジェクトが中にトラップされているトラップ５０の１つ以上の部分に１つ以上のゲート信号を提供する。２色レーザーシステム２００によって提供されるゲート信号は、一次モードビーム及び側波帯モードビームを含む。一次モードビーム及び側波帯モードビームは、相対周波数差Δ＞０を有する。例示的な一実施形態では、相対周波数差Δは、量子ビット空間における２つの状態間の周波数差にほぼ等しい。例えば、量子ビット空間が原子オブジェクトのエネルギーレベルの超微細分離に基づいて規定される場合、相対周波数差Δは、およそ１００ＭＨｚ～１００ＧＨｚであってもよい。例示的な一実施形態では、相対周波数差Δは、約１２～１３ＧＨｚである。

【0021】

図２は、例示的な一実施形態による、２色レーザーシステム２００のブロック図を提供する。様々な実施形態では、２色レーザーシステム２００はマスタ発振器２０２を備える。様々な実施形態では、マスタ発振器２０２はレーザーである。様々な実施形態では、マスタ発振器２０２は、共鳴チャンバ及び／又は他のレーザー発振器に連結されたレーザーである。例示的な一実施例では、マスタ発振器２０２は、テーパー型増幅器に連結されたダイオードレーザーである。例示的な一実施形態では、マスタ発振器２０２は低位相ノイズレーザーである。例示的な一実施形態では、マスタ発振器２０２は、マスタビームを生成するように構成される。例示的な一実施形態では、マスタビームは、２色レーザーシステム２００によって提供されるゲート信号の一次モードビームの固有波長の約２倍である固有波長を有するレーザービームである。例えば、例示的な一実施例では、マスタ発振器２０２の固有波長は７４０ｎｍであり、ゲート信号の一次モードビームの固有波長は３７０ｎｍである。

【0022】

様々な実施形態では、マスタ発振器２０２は、アーム分割器２０４に光学的に連結される。様々な実施形態では、マスタ発振器２０２によって生成されたマスタビームは、アーム分割器２０４に（例えば、光ファイバ、導波路、自由空間光路などを介して）提供される。例えば、アーム分割器２０４は、一次モードアーム２１０及び側波帯モードアーム２２０によって調整され得る２つ以上のビームにマスタビームを分割して、一次モードビーム及び側波帯モードビームをそれぞれ生成及び／又は提供するように構成されてもよい。例えば、アーム分割器２０４は、マスタ発振器２０２によって提供されたマスタビームを２つ以上のビームに分割するように構成されてもよい。例示的な一実施形態では、アーム分割器２０４は、１×２分割器であり、マスタ発振器２０２によって提供されたマスタビームを２つのビームに分割するように構成される。例示的な一実施形態では、アーム分割器２０４は、マスタ発振器２０２によって提供されるマスタビームを、ほぼ同じ強度の２つのビームに分割するように構成される。例えば、アーム分割器２０４は、マスタ発振器２０２によって提供されたマスタビームを、２色レーザーシステム２００の一次モードアーム２１０に提供される第１のビームと、２色レーザーシステム２００の側波帯モードアーム２２０に提供される第２のビームと、に分割し得る。

【0023】

例示的な一実施形態では、第１のビームは、アーム分割器２０４から電力増幅器２１６に伝送される。例えば、第１のビームは、光ファイバ、導波路、自由空間光路などを介してアーム分割器２０４から電力増幅器２１６に伝送されてもよい。様々な実施形態では、電力増幅器２１６は、第１のビームの強度を増幅及び／又は増大させるように構成される。例示的な一実施形態では、電力増幅器２１６は、第１のビームの一次モードの強度を増幅及び／又は増大させるように構成される。次いで、増幅された第１のビームは、電力増幅器２１６から分割器２１４に伝送されてもよい。例えば、増幅された第１のビームは、光ファイバ、導波路、自由空間光路などを介して電力増幅器２１６から分割器２１４に伝送されてもよい。様々な実施形態では、分割器２１４は１～Ｎ分割器であり、Ｎは正の整数である。例えば、分割器２１４は、増幅された第１のビームをＮ個の一次ビームに分割し得る。Ｎ個の一次ビームのそれぞれは、（例えば、光ファイバ、導波路、自由空間光路などを介して）非線形光学素子（ＮＯＥ）２１８（例えば、２１８Ａ、．．．、２１８Ｎ）に提供されてもよい。様々な実施形態では、ＮＯＥ２１８のそれぞれの組は、一次ビームの周波数を２逓倍して（例えば、一次ビームの波長を２分の１に減少させる）、一次モードビームを提供するように構成される。例えば、１組のＮＯＥ２１８は、一次モードビームを生成するために一次ビームの周波数を２逓倍するためのキャビティ内２逓倍モジュールを含んでもよい。例えば、１組のＮＯＥ２１８は、第２高調波発生モジュールを含んでもよい。別の実施例では、１組のＮＯＥ２１８は、一次モードビームを生成するために一次ビームの周波数を２逓倍するために使用され得る１つ以上の音響光学変調器（ＡＯＭ）を含んでもよい。様々な実施形態では、１組のＮＯＥ２１８は、一次モードビームを調整するように構成されてもよい。例えば、１組のＮＯＥ２１８は、用途の必要に応じて、一次モードビームの変調、任意の望ましくない側波帯及び／又は高調波の抑制、一次モードビームの成形などを行うように構成された１つ以上の変調器及び／又はビーム成形要素を含んでもよい。

【0024】

様々な実施形態では、第２のビームは、アーム分割器２０４から変調器２２２に伝送される。例えば、第２のビームは、光ファイバ、導波路、自由空間光路などを介して、アーム分割器２０４から変調器２２２に伝送されてもよい。例示的な一実施形態では、変調器２２２は、ファイバ又は導波管電気光学変調器であるが、様々な変調器が様々な実施形態で使用されてもよい。様々な実施形態では、変調器２２２は、第２のビームを位相変調するように構成されてもよい。例えば、第２のビームの位相変調（例えば、変調器２２２による）は、第２のビームに対してシフトされた周波数を有する複数の側波帯を含むビームを生成してもよい。様々な実施形態では、側波帯は、複数の側波帯を含むビームが生成された第２のビームの周波数よりも高い又は低い周波数の帯域である。

【0025】

例示的な一実施形態では、変調器２２２は、第２のビームをΔ／２の周波数で位相変調し、Δは、一次モードビームと側波帯モードビームとの間の相対周波数差である。例えば、側波帯モードのうちの１つは、ピーク周波数を有してもよく、ピーク周波数は、第２のビーム（及び／又は第１のビーム及び／又はマスタビーム及び／又は一次ビーム）に対して、一次モードビームと側波帯モードビームとの間の相対周波数差Δの約半分だけシフトされたピーク周波数である。

【0026】

次いで、複数の側波帯を含むビームは、電力増幅器２２６Ａに（例えば、光ファイバ、導波路、自由空間光路などを介して）提供されてもよい。様々な実施形態では、電力増幅器２２６Ａは、複数の側波帯を含むビームの強度を増幅及び／又は増大させるように構成される。次いで、電力増幅器２２６Ａの出力がフィルタ２３２に提供される。様々な実施形態では、フィルタ２３２は、複数の側波帯を含む増幅されたビームから所望の側波帯を選択するように構成された狭帯域フィルタである。例示的な一実施形態では、フィルタ２３２はエタロン（例えば、近赤外エタロン）である。エタロンは、（例えば、２つのガラス板間の距離に基づいて）特定の周波数の光を選択するために使用され得る２つの反射ガラス板を含む装置である。例示的な一実施形態では、フィルタ２３２は、熱制御された炉２３４内にある。例えば、熱制御された炉２３４は、フィルタ２３２の側波帯選択特性の安定性を高めるために、フィルタ２３２を一定温度に維持してもよい。例えば、熱制御された炉２３４は、フィルタ２３２が電力増幅器２２６Ｂへと通過させる選択された側波帯の安定性を高め得る。例示的な一実施形態では、フィルタ２３２は、複数の側波帯を含む増幅されたビームにおいて、選択されていない側波帯をそれらの強度の＜１％に抑制する。例示的な一実施形態では、選択された側波帯は、Δ／２の第２のビーム（及び／又は第１のビーム及び／又はマスタビーム及び／又は一次ビーム）に対する周波数差を有する側波帯である。様々な実施形態では、選択された側波帯ビームは、フィルタ２３２によって電力増幅器２２６Ｂに提供される。

【0027】

様々な実施形態では、選択された側波帯ビームは、増幅のために（例えば、光ファイバ、導波路、自由空間光路などによって）電力増幅器２２６Ｂに提供される。様々な実施形態では、電力増幅器２２６Ｂは、第２高調波発生（ＳＨＧ）キャビティを含む。このように、電力増幅器２２６Ｂは、選択された側波帯ビームの強度を増幅及び／又は増大させるように、かつフィルタ２３２によって選択されない側波帯を更に抑制するように作用し得る。例示的な一実施形態では、電力増幅器２２６Ｂは、フィルタ２３２によって選択されない側波帯を約－３０ｄＢだけ抑制し得る。増幅された選択された側波帯ビームは、次いで、分割器２２４に提供され得る。例えば、増幅された選択された側波帯ビームは、光ファイバ、導波路、自由空間光路などを介して電力増幅器２２６Ｂから分割器２２４に伝送されてもよい。様々な実施形態では、分割器２２４は１～Ｎ個の分割器であり、Ｎは正の整数である。例えば、分割器２２４は、増幅された選択された側波帯ビームをＮ個の側波帯ビームに分割し得る。Ｎ個の側波帯ビームのそれぞれは、（例えば、光ファイバ、導波路、自由空間光路などを介して）非線形光学素子（ＮＯＥ）２２８（例えば、２２８Ａ、．．．、２２８Ｎ）に提供されてもよい。様々な実施形態では、ＮＯＥ２２８のそれぞれの組は、側波帯ビームの周波数を２逓倍して（例えば、側波帯ビームの波長を２分の１に減少させる）、側波帯モードビームを提供するように構成される。様々な実施形態では、側波帯ビームと一次ビームとの間の周波数差は、最終相対周波数差の半分（例えば、Δ／２）である。側波帯ビームと一次モードビームとの間の周波数差は、最終相対周波数差Δである。例えば、１組のＮＯＥ２２８は、側帯域ビームの周波数を２逓倍して側波帯モードビームを生成するための、キャビティ内２逓倍モジュール及び／又は第２高調波発生モジュールを含んでもよい。別の実施例では、１組のＮＯＥ２２８は、側波帯ビームの周波数を２逓倍して側波帯モードビームを生成するために使用され得る１つ以上のＡＯＭを含んでもよい。様々な実施形態では、１組のＮＯＥ２２８は、側波帯モードビームを調整するように構成されてもよい。例えば、１組のＮＯＥ２２８は、用途の必要に応じて、側波帯モードビームの変調、選択されていない側波帯の更なる抑制、側波帯モードビームの成形などを行うように構成された１つ以上の変調器及び／又はビーム成形要素を含んでもよい。

【0028】

様々な実施形態では、側波帯モードビームを生成するための側波帯ビームの周波数の２逓倍は、選択された側波帯と側波帯ビーム内に依然として存在する任意の選択されていない残留側波帯との間の周波数差を増加させる（例えば、２逓倍する）。例えば、選択された側波帯は、側波帯ビームにおける周波数ｆ_１を有し得、選択されていない残留側波帯は、側波帯ビームにおける周波数ｆ_２を有し得る。したがって、側波帯ビームにおける選択された側波帯と選択されていない残留側波帯との間の周波数差は、ｆ_１－ｆ_２である。側波帯モードビームでは、周波数２逓倍化の後、選択された側波帯は２ｆ_１の周波数を有し、選択されていない残留側波帯は２ｆ_２の周波数を有することになる。したがって、側波帯モードビームにおける選択された側波帯と選択されていない残留側波帯との間の周波数差は、２（ｆ_１－ｆ_２）である。このように、１組のＮＯＥ２２８によって実行される周波数２逓倍化により、任意の選択されていない残留側波帯の周波数は、量子ビット遷移周波数から離れる方向にシフトされる。例示的な一実施形態では、１組のＮＯＥ２２８は、側波帯ビーム内に依然として存在する任意の選択されていない残留側波帯に周波数オフセットを適用する１つ以上のＡＯＭを含んでもよい。例えば、例示的な一実施形態では、１つ以上のＡＯＭは、約２００ＭＨｚの周波数オフセットを側波帯ビーム内に依然として存在する任意の選択されていない残留側波帯に適用し得る。このように、側波帯のフィルタ処理（例えば、フィルタ２３２による）の後に側波帯ビームに存在する任意の選択されていない残留側波帯、及び（例えば、第２高調波発生キャビティを介して）電力増幅器によって提供される側波帯抑制は、次いで、選択されていない残留側波帯の周波数が、量子ビット遷移周波数からの共振から離れるようにシフトされてもよい。

【0029】

様々な実施形態では、一次モードビーム及び側波帯モードビームは、単一のビームとしてトラップ５０の一部分に（例えば、光路６８を介して）送達される（例えば、一次モードビーム及び側波帯モードビームは、単一のゲート信号として組み合わされ、提供され得る）。例示的な一実施形態では、一次モードビーム及び側波帯モードビームは、ゲート信号を提供するために、２つの別個のビーム（例えば、用途の必要に応じて、共伝搬、非共伝搬、直交、又は逆伝搬）としてトラップ５０に（例えば、光路６８を介して）提供されてもよい。例えば、ゲート信号は、ビームがトラップ５０に提供される前に組み合わされる、又はトラップ５０内の１つ以上の原子オブジェクトとほぼ同時及び／又は半同時に相互作用する、一次モードビームと側波帯モードビームとの組み合わせであってもよい。

【0030】

様々な実施形態では、分割器２１４、２２４は、増幅された第１のビーム及び増幅されたフィルタ処理された第２のビームをそれぞれＮ個の一次ビーム及びＮ個の側波帯ビームに分割する。例示的な一実施形態では、一次ビーム及び側波帯ビームのＮ個の対はそれぞれ、トラップ５０の特定の部分に送達されてもよい。例えば、第１の一次ビーム及び第１の側波帯ビームは、第１の一次モードビーム及び第１の側波帯モードビームをトラップ５０の第１の部分に提供するように、対応するＮＯＥ２１８Ａ、２２８Ａによって調整されてもよく、Ｎ番目の一次ビーム及びＮ番目の側波帯ビームは、Ｎ番目の一次モードビーム（bean）及びＮ番目の側波帯モードビームをトラップ５０のＮ番目の部分に提供するように、対応するＮＯＥ２１８Ｎ、２２８Ｎによって調整されてもよい。

【0031】

様々な実施形態では、一次モードビームと対応する側波帯モードビームとの間の位相ノイズ（例えば、相対位相差など）が最小化される。例えば、２色レーザーシステム２００の一次モードアーム２１０及び側波帯モードアーム２２０の経路長は、ほぼ等しくてもよい。例えば、一次モードアーム２１０及び側波帯モードアーム２２０の経路長は、側波帯モードアーム２２０を介した伝搬及び調整による側波帯モードビームの累積位相（第１のビームがアーム分割器２０４を出るときの第１のビームの位相に対する）と、一次モードアーム２１０を介した伝搬及び調整による一次モードビームの累積位相（第２のビームがアーム分割器２０４を出るときの第２のビームの位相に対する）と、がほぼ等しくなるように設計されてもよい。例えば、一次モードアーム２１０及び／又は側波帯モードアーム２２０の光ファイバ長さが変化する際の、側波帯モードビームと一次モードビームとの間の位相差が測定されてもよい。一次モードアーム２１０及び／又は側波帯モードアーム２２０の最適な光ファイバ長さはこの測定値に基づいており、それにより、一次モードビームと側波帯モードビームとの間の位相ノイズ及び／又は位相差が最小化され、かつ／又は所望の値に設定される。

【0032】

例示的な一実施形態では、増幅された第１のビーム（例えば、電力増幅器２１６の出力として提供される）は、一次ビーム及び／又は一次モードビームとして提供されてもよく、増幅された選択された側波帯ビーム（例えば、電力増幅器２２６Ｂの出力として提供される）は、側波帯ビーム及び／又は側波帯モードビームとして提供されてもよい。換言すれば、例示的な一実施形態は、分割器２１４、２２４及び／又はＮＯＥ２１８、２２８の１つ以上のセットを含まない。

【0033】

様々な実施形態では、サーボシステム３００は、一次モードビームと側波帯モードビームとの間の相対位相及び／又は相対周波数差を安定化するために使用される。例示的な一実施形態では、サーボシステム３００は、一次モードビーム及び側波帯モードビームの相対位相を基準発振器に安定化することによって、一次モードビームと側波帯モードビームとの間の位相ノイズを抑制するために使用される。例示的な一実施形態では、基準発振器は、低ノイズ無線周波数（ＲＦ）発振器である。例示的な一実施形態では、サーボシステム３００は、位相／周波数アクチュエータとしてダブルパスＡＯＭを使用し、コンピュータ制御のダイレクトデジタルシンセサイザ（ＤＤＳ）信号を基準発振器信号と混合することによる一次モードビーム及び側波帯モードビームの容易な位相／周波数制御を可能にする。ＤＤＳ信号は、複数の点でサーボシステム３００に提供される。例えば、ＤＤＳ信号は、基準発振器と混合され、サーボシステム３００のサーボへの入力として提供されてもよく、ＡＯＭアクチュエータにフィードフォワードされてもよい。ＤＤＳ信号のこのようなフィードフォワードプロビジョニングは、閉ループ制御下で、準同時及び／又はほぼリアルタイムの周波数変化及び／又は位相ジャンプを実現することを可能にする。例示的な一実施形態では、ＤＤＳ信号は、初期ＤＤＳ適用点（例えば、サーボ基準点）及びＡＯＭアクチュエータからの信号の伝搬に対応する音響光学遅延を補償するように構成された遅延線を介してＡＯＭアクチュエータに提供される。例えば、遅延線の使用は、ＤＤＳ信号がサーボシステム３００を介して伝搬するときに、ＤＤＳ信号の変化につながり得るグリッチ及びサーボ摂動を最小化する。例示的な一実施形態では、第１のＤＤＳによって生成された第１のＤＤＳ信号は、サーボシステムの入力アームに提供され、第２のＤＤＳによって生成された第２のＤＤＳ信号は、サーボシステムの出力アームに提供され、第１及び第２のＤＤＳ信号の相対的なタイミングは、初期ＤＤＳ適用点（例えば、入力アーム内）とＡＯＭアクチュエータ（例えば、出力アーム内）との間の音響光学遅延を考慮及び／又は補償するように制御される。例示的な一実施形態では、一次モードビーム及び側波帯モードビームが共伝搬ビームとしてトラップ５０に提供されるとき、サーボシステム３００は、一次モードビームと側波帯モードビームとの間の相対周波数及び／又は位相を安定化するために使用される。

【0034】

例示的な一実施形態では、一次モードビーム及び側波帯モードビームは、非伝搬ビームとしてトラップ５０に提供される。例示的な一実施形態では、一次モードビーム及び側波帯モードビームが、非伝搬ビームとしてトラップ５０に提供されるとき、一次モードビーム及び側波帯モードビームは、基準発振器に位相固定される。例示的な一実施形態では、基準発振器は低ノイズ局部発振器である。例示的な一実施形態では、一次モードビーム及び側波帯モードビームは、ＡＯＭを作動させることによって基準発振器に位相固定される。例示的な一実施形態では、ＡＯＭは、一次ビームが１組のＮＯＥ２１８、２２８に提供される前のダブルパス近赤外ＡＯＭである。例示的な一実施形態では、ヘテロダインうなり周波数（例えば、一次モードビームの少なくとも一部分と側波帯モードビームの少なくとも一部分とを組み合わせることによって生成される）は、１組のＮＯＥ２１８、２２８の後に測定され（例えば、一次モードビーム及び側波帯モードビームに基づいて）、１組のＮＯＥ２１８、２２８（例えば、一次ビーム及び側波帯ビームに作用する）の前に作動する（例えば、周波数２逓倍化を実行するように構成されたＡＯＭが作動する）。ＮＯＥ２１８、２２８の増幅器及び／又は第２高調波発生キャビティの前にＡＯＭを作動させることにより、例えば紫外線の場合には、光増幅器を飽和状態にさせることができるため、光学損失のほぼないＡＯＭの動作が可能になる。
例示的なサーボシステム

【0035】

様々な実施形態では、サーボシステム３００は、一次モードビーム及び側波帯モードビームにわたって周波数及び／又は位相制御を提供するように構成される。例えば、サーボシステム３００は、相対周波数差Δが所望の値であり、かつ／又は時間と共に変化しないことを確実にするように構成されてもよい。例えば、サーボシステム３００は、一次モードビームと側波帯モードビームとの間の相対位相ノイズが制御及び／又は最小化されるように、一次モードビーム及び側波帯モードビームの相対位相をロックするように構成されてもよい。別の実施例では、サーボシステム３００は、一次モードビーム及び／又は側波帯モードビームの位相を変更するように構成されてもよい。例えば、サーボシステム３００は、一次モードビーム及び／又は側波帯モードビームの位相を所望の位相まで「ジャンプ」させてもよい。

【0036】

様々な実施形態では、一次モードビーム及び側波帯モードビームの相対周波数差Δ、位相、及び相対位相は、コンピュータ制御のディレクションデジタル合成（ＤＤＳ）信号を介して制御される。例えば、ＤＤＳ信号は、ダブルパスＡＯＭを作動させるために使用されてもよい。例えば、ダブルパスＡＯＭは、相対周波数差Δ、一次モードビームの位相、側波帯モードビームの位相、及び／又は一次モードビームと側波帯モードビームとの間の相対位相差を制御するように構成されてもよい。ＤＤＳ信号は、任意の更新がフィードフォワード方式で提供されるように、ＡＯＭ及びサーボロック回路の両方に提供される。例えば、ＤＤＳ信号をＡＯＭ及びサーボロック回路の両方に提供することにより、位相更新が位相の離散的及び／又は不連続な変化を含む（例えば、位相が「ジャンプする」）場合であっても、一次モードビーム及び／又は側波帯モードビームの位相への準同時更新が可能になる。例えば、遅延線は、ＤＤＳ信号をＡＯＭ及びサーボロック回路の両方に連結するために使用されてもよい。例えば、遅延線は、ＤＤＳ信号のＡＯＭへの適用に対するＤＤＳ信号のロック回路への適用の適切なタイミングを確実にする。

【0037】

図３Ａは、例示的なサーボシステム３００の例示的なアーキテクチャを示すブロック図を提供する。例示的な一実施形態では、サーボシステム３００は、ＡＯＭアーム３１０、局部発振器アーム３２０、サーボ入力アーム３３０、サーボ３５０、及びサーボ出力アーム３６０を備える。

【0038】

様々な実施形態では、ＡＯＭアーム３１０は、１組のＮＯＥ２１８から一次モードビームを受信し、１組のＮＯＥ２２８から側波帯モードビームを受信する。一次モードビーム及び側波帯モードビームは、ＡＯＭ３１２に提供される。例示的な一実施形態では、ＡＯＭ３１２は、周波数／位相アクチュエータとして機能するダブルパスＡＯＭである。図３Ｂは、例示的なＡＯＭ３１２の概略図を示す。例えば、光路は、ミラー３８２、レンズ３８０、ビーム分割器３７８、及び／又は他の受動的若しくは能動的光学構成要素などの光学素子を介して画定されてもよい。ビームコンバイナ３７４は、一次モードビーム３９２及び側波帯モードビーム３９４の一部分を組み合わせて、うなり周波数ビーム３９６を生成する。様々な実施形態では、うなり周波数ビーム３９６、うなり周波数ビーム３９６の周波数は、一次モードビームと側波帯モードビームとの間の相対周波数差Δを（例えば、周波数モニタ３８６を介して）監視し、かつ／又は一次モードビームと側波帯モードビームとの間の位相差を（例えば、位相差モニタ３８４を介して）監視するために使用される。例示的な一実施形態では、ＡＯＭ３１２はＡＯＭスイッチ３７２を含む。例示的な一実施形態では、ＡＯＭスイッチ３７２は、ＤＤＳ（例えば、ＤＤＳ３５）から作動信号を受信する。例示的な一実施形態では、ＡＯＭ３１２は、作動可能なＡＯＭ３７０を更に含む。例示的な一実施形態では、作動可能なＡＯＭ３７０は、サーボ出力アーム３６０の出力として提供される信号を受信する。例示的な一実施形態では、作動可能なＡＯＭ３７０はデュアルパスＡＯＭである。例示的な一実施形態では、デュアルパスＡＯＭはＡＯＭであり、光路はＡＯＭを２回通過する。例示的な一実施形態では、サーボ出力アーム３６０から作動可能なＡＯＭ３７０によって受信される信号は、約３０～４０ｄＢｍの信号である。例示的な一実施形態では、ＡＯＭ３１２はビーム停止部３７６を含む。しかしながら、様々な実施形態では、ビーム停止部３７６は、ＡＯＭ３１２から出力を受信するように構成された１つ以上の測定装置及び／又は他の光学構成要素と置き換えられてもよい。

【0039】

様々な実施形態では、図３Ａに示すように、増幅器３１６Ａはうなり周波数ビーム３９６を受信する。増幅器３１６Ａは、うなり周波数ビーム３９６を増幅（例えば、うなり周波数ビームの強度を増大及び／又は増幅）し得る。増幅されたうなり周波数ビームは次いで、フィルタ３１８を介してフィルタ処理される。カップラー３１４及び／又は分割器は、増幅されたうなり周波数ビームを、うなり周波数ビームの周波数及び／又は位相を（例えば、スペクトル分析器を介して）監視するためのモニタ３８６及び増幅器３１６Ｂの両方に提供するために使用される。増幅器３１６Ｂは次いで、増幅されたうなり周波数信号の受信部分を増幅し、サーボ入力アーム３３０のミキサ３３４Ｂに信号を供給し得る。

【0040】

様々な実施形態では、サーボシステム３００は複数のフィルタ３１８、３３８Ａ、３３８Ｂ、３３８Ｃ、３６８を含む。これらのフィルタは、サーボシステム３００を通って伝搬するビーム内の特定のトーン及び／又は周波数を分離するために使用され得る。例えば、フィルタは、増幅器を介して生成及び／又は増幅される望ましくない側波帯及び／又は高調波を除外し、ミキサ３３４Ａ、３３４Ｂ、３６４などを介して信号を混合することによって生成される望ましくない混合生成物（例えば、寄生混合トーン）を除外するように構成されてもよい。様々な実施形態では、フィルタ３１８、３３８Ａ、３３８Ｂ、３３８Ｃ、３６８は、サーボシステム３００によるビームの望ましくない構成要素の更なる処理を防止するため、ビームの望ましくない構成要素（例えば、増幅、混合、非線形光学機能などによって生成される）がビームから除去されることを防止する。

【0041】

様々な実施形態では、局部発振器アーム３２０は少なくとも１つの局部発振器３２２を含む。例示的な一実施形態では、少なくとも１つの局部発振器３２２は低ノイズ局部発振器である。例示的な一実施形態では、少なくとも１つの発振器３２２は低ノイズ無線周波数発振器である。例示的な一実施形態では、少なくとも１つの局部発振器３２２の周波数（及び／又は２つ以上の局部発振器３２２が存在する場合は、局部発振器の周波数の組み合わせ）は、量子ビット空間における２つの状態間の周波数差と実質的に同様である。例えば、少なくとも１つの局部発振器３２２の周波数（及び／又は２つ以上の局部発振器３２２が存在する場合は、局部発振器の周波数の組み合わせ）は、２色レーザービームの２つのトーンの相対位相差Δにほぼ等しくなり得る。例示的な一実施形態では、局部発振器信号は増幅のために増幅器３２６に提供される。例示的な一実施形態では、増幅器３２６は電力増幅器である。例示的な一実施形態では、増幅器３２６は第２高調波発生（ＳＨＧ）キャビティを含む。増幅器３２６は、次いで、増幅された局部発振器信号を分割器３２８に任意選択的に提供してもよい。例えば、例示的な一実施形態では、局部発振器アーム３２０は、局部発振器信号を複数の回路に提供するために、複数の回路に連結されてもよい。例示的な一実施形態では、増幅器３２６及び／又は分割器３２８は、増幅された局部発振器信号をサーボ入力アーム３３０のミキサ３３４Ａに提供する。

【0042】

様々な実施形態では、ＤＤＳ信号３５が生成される（例えば、コントローラ３０による、かつ／又はコントローラ３０が、ＤＤＳにＤＤＳ信号３５を生成させ得る）。ＤＤＳ信号３５は、フィルタ３３８Ａによってフィルタ処理され、分割器３３２に提供される。分割器３３２は、フィルタ処理されたＤＤＳ信号の一部分を遅延線３４２に、及びフィルタ処理されたＤＤＳ信号の一部分を増幅器３３６Ａに提供する。増幅器３３６Ａは、増幅されたフィルタ処理されたＤＤＳ信号を２逓倍器３４０に提供する。例示的な一実施形態では、２逓倍器３４０は、第２高調波発生キャビティを含む。２逓倍器３４０は、増幅されたフィルタ処理されたＤＤＳ信号の周波数を２逓倍して、２逓倍されたＤＤＳ信号を生成し、２逓倍されたＤＤＳ信号は、次いで、フィルタ３３８Ｂによってフィルタ処理される。フィルタ処理された２逓倍されたＤＤＳ信号は、次いで、ミキサ３３４Ａによって増幅された混合局部発振器（ＬＯ）信号と混合され、ＤＤＳ－ＬＯ信号が生成される。ＤＤＳ－ＬＯ信号は、フィルタ３３８Ｃによってフィルタ処理される。フィルタ処理されたＤＤＳ－ＬＯ信号は、次いで、増幅器３３６Ｂによって増幅され、その後、フィルタ処理されたＤＤＳ－ＬＯ信号は、ミキサ３３４Ｂによって増幅されたうなり周波数信号と混合される。ＤＤＳ－ＬＯうなり周波数信号は、次いで、サーボ３５０に入力として提供される。様々な実施形態では、サーボ３５０は、入力として提供される光学ＤＤＳ－ＬＯうなり周波数信号の変化を検出するように構成されており、光学ＤＤＳ－ＬＯうなり周波数信号の検出された変化の関数として、サーボ３５０の出力として提供される電気信号を修正し得る。

【0043】

サーボ３５０は、サーボ出力アーム３６０に出力信号を提供する。例示的な一実施形態では、出力信号は、入力として電圧制御発振器（ＶＣＯ）３６２に提供され、電圧制御発振器（ＶＣＯ）３６２は、次いで、サーボ３５０の電気出力信号に基づいて光信号を生成する。ミキサ３６４は、遅延線３４２を介して提供されるＶＣＯ生成された光信号及びフィルタ処理されたＤＤＳ信号を受信する。ミキサ３６４は、ＶＣＯ生成された光信号とフィルタ処理されたＤＤＳ信号とを組み合わせ、組み合わされた信号がフィルタ３６８によってフィルタ処理される。フィルタ処理されたＶＣＯ－ＤＤＳ信号は、次いで、少なくとも１つの増幅器３６６Ａ、３６６Ｂに提供されて、フィルタ処理されたＶＣＯ－ＤＤＳ信号の強度が増大及び／又は増幅され、その後、フィルタ処理されたＶＣＯ－ＤＤＳ信号は、入力としてＡＯＭ３１２（例えば、作動可能ＡＯＭ３７０）に提供される。

【0044】

このように、サーボシステム３００は、一次モードビーム及び側波帯モードビームが、制御された相対位相差Δ並びに制御及び／又は最小化された相対位相差を提供することを可能にする、閉ループフィードバックシステムを提供する。

【0045】

様々な実施形態では、信号、ビームなどは、光ファイバ、導波路、自由空間光学などを使用して、サーボシステム３００の様々な要素間で伝搬され得る。例示的な一実施形態では、増幅器３１６Ａ、３１６Ｂ、３２６、３３６Ａ、３３６Ｂ、３６６Ａ、３６６Ｂは電力増幅器であってもよい。例えば、増幅器３１６Ａ、３１６Ｂ、３２６、３３６Ａ、３３６Ｂ、３６６Ａ、３６６Ｂのうちの１つ以上は、共振キャビティ及び／又は同類物を含んでもよい。
技術的利点

【0046】

様々な実施形態は、原子オブジェクトトラップ型量子コンピュータのトラップ（例えば、例示的な一実施形態では、極低温及び／又は真空チャンバ内に封入された）に多重周波数（例えば、２色）レーザービームを、周波数、周波数オフセット、及び／又は位相に関して精密かつ正確に送達する技術的問題に対する技術的解決策を提供する。具体的には、様々な実施形態は、安定した相対周波数差Δ、安定したかつ／又は最小化された相対位相差（例えば、低位相ノイズ）を有するレーザービーム及び／又はレーザービームのセット／対を提供することによって、従来の手段に勝る改善を提供する。様々な実施形態は、一次モードビーム及び／又は側波帯モードビームの位相の不連続な変化を可能にする。相対周波数差Δの安定性並びに一次モードビーム及び／又は側波帯モードビームの位相制御により、一次モードビーム及び／又は側波帯モードビームを使用して量子コンピュータ１１０の量子ビットで実現された量子ゲートが高忠実度で実行される。このように、様々な実施形態が、トラップされた原子オブジェクト量子コンピュータ内の量子ビットに対する動作を実施するための高ゲート忠実度を提供する。したがって、本発明の実施形態は、量子コンピュータの動作の改善を提供する。
例示的なコントローラ

【0047】

様々な実施形態において、量子コンピュータ１１０は、量子コンピュータ１１０の様々な要素を制御するように構成されたコントローラ３０を更に備える。様々な実施形態では、コントローラ３０は、量子コンピュータ１１０に、様々な動作（例えば、ゲート動作、冷却動作、移送動作、量子ビット相互作用動作、量子ビット測定動作、漏れ抑制動作など）を実施させるように構成されてもよい。例えば、コントローラ３０は、操作ソース６４Ａ、６４Ｂに、トラップ５０内にトラップされた原子オブジェクトに操作信号を提供させるように構成されてもよい。例えば、コントローラ３０は、２色レーザーシステム２００に、例えば１つ以上の量子ゲートを実現するように、場合によりサーボシステム３００と協働して、１つ以上のゲート信号をトラップ５０内にトラップされた１つ以上の原子オブジェクトに提供させるように構成されてもよい。様々な実施形態では、コントローラ３０は、極低温及び／若しくは真空チャンバ４０内の温度及び圧力を制御する極低温システム及び／若しくは真空システム、操作ソース６４、並びに／又は極低温及び／若しくは真空チャンバ４０内の環境条件（例えば、温度、湿度、圧力など）を制御する他のシステムを制御するように構成され、かつ／又はトラップ５０内の１つ以上の原子の量子状態の制御された発展を操作するように、かつ／又はそれを引き起こすように構成されてもよい。

【0048】

図４に示されるように、様々な実施形態では、コントローラ３０は、処理要素４０５、メモリ４１０、ドライバコントローラ要素４１５、通信インターフェース４２０、アナログ－デジタル変換素子４２５などを含む様々なコントローラ要素を含んでもよい。例えば、処理要素４０５は、プログラマブル論理装置（ＣＰＬＤ）、マイクロプロセッサ、共処理エンティティ、特定用途向けプロセッサ（ＡＳＩＰ）、集積回路、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、プログラマブル論理アレイ（ＰＬＡ）、ハードウェアアクセラレータ、他の処理装置及び／若しくは回路機構など、並びに／又はコントローラを含んでもよい。回路機構という用語は、ハードウェア全体の実施形態、又はハードウェア及びコンピュータプログラム製品の組み合わせを指し得る。例示的な一実施形態では、コントローラ３０の処理要素４０５は、クロックを含み、かつ／又はクロックと通信する。

【0049】

例えば、メモリ４１０は、ハードディスク、ＲＯＭ、ＰＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、フラッシュメモリ、ＭＭＣ、ＳＤメモリカード、メモリスティック、ＣＢＲＡＭ、ＰＲＡＭ、ＦｅＲＡＭ、ＲＲＡＭ、ＳＯＮＯＳ、レーストラックメモリ、ＲＡＭ、ＤＲＡＭ、ＳＲＡＭ、ＦＰＭ ＤＲＡＭ、ＥＤＯ ＤＲＡＭ、ＳＤＲＡＭ、ＤＤＲ ＳＤＲＡＭ、ＤＤＲ２ ＳＤＲＡＭ、ＤＤＲ３ ＳＤＲＡＭ、ＲＤＲＡＭ、ＲＩＭＭ、ＤＩＭＭ、ＳＩＭＭ、ＶＲＡＭ、キャッシュメモリ、レジスタメモリなどのうちの１つ以上のような、揮発性及び／又は不揮発性記憶域などの非一時的なメモリを含んでもよい。様々な実施形態では、メモリ４１０は、（例えば、量子ビット記録データ記憶、量子ビット記録データベース、量子ビット記録テーブルなどの）量子コンピュータの量子ビットに対応する量子ビット記録、較正テーブル、実行可能な待ち行列、コンピュータプログラムコード（例えば、１つ以上のコンピュータ言語、専門コントローラ言語（複数可）など）などを記憶し得る。例示的な一実施形態では、メモリ４１０に記憶されたコンピュータプログラムコードの少なくとも一部分の（例えば、処理要素４０５による）実行により、コントローラ３０は、原子システム内の原子オブジェクトの位相を追跡し、それによって生成された１つ以上の操作ソース及び／又は信号の位相の調整を引き起こすための、本明細書に記載の１つ以上の工程、操作、プロセス、手順などを実施する。

【0050】

様々な実施形態では、ドライバコントローラ要素４１５は、それぞれが１つ以上のドライバを制御するように構成された、１つ以上のドライバ及び／又はコントローラ要素を含んでもよい。様々な実施形態では、ドライバコントローラ要素４１５は、ドライバ及び／又はドライバコントローラを含んでもよい。例えば、ドライバコントローラは、コントローラ３０によって（例えば、処理要素４０５によって）スケジューリング及び実行される、実行可能な命令、コマンドなどに従って、１つ以上の対応するドライバを動作させるように構成されてもよい。様々な実施形態では、ドライバコントローラ要素４１５は、コントローラ３０が２色レーザーシステム２００、サーボシステム３００、操作ソース６４を動作させ、真空及び／又は極低温システムなどを動作させることを可能にし得る。様々な実施形態では、ドライバは、レーザードライバ、マイクロ波ドライバ、真空構成要素ドライバ、極低温及び／又は真空システム構成要素ドライバ、電流ドライバなどであってもよい。例えば、ドライバ及び／又はドライバコントローラは、磁場発生装置（例えば、電圧源（例えば、電流ドライバ若しくは電圧ドライバ）、永久磁石（複数可）、及び／又はそれらの組み合わせに連結された回路機構を含む）に、トラップ５０の１つ以上の位置で特定の方向及び大きさを有する磁場を発生させるように構成されてもよい。様々な実施形態において、コントローラ３０は、カメラ、ＭＥＭカメラ、ＣＣＤカメラ、フォトダイオード、光電子増倍管などのような１つ以上の光学受信機構成要素から信号を通信及び／又は受信するための手段を備える。例えば、コントローラ３０は、１つ以上の光受信機構成要素、較正センサなどから信号を受信するように構成された１つ以上のアナログ－デジタル変換機要素４２５を含んでもよい。

【0051】

様々な実施形態では、コントローラ３０は、計算エンティティ１０とインターフェース接続及び／又は通信するための通信インターフェース４２０を含んでもよい。例えば、コントローラ３０は、実行可能な命令、コマンドセットなどを計算エンティティ１０から受信し、量子コンピュータ１１０から（例えば、光学収集システムから）受信した出力及び／又は出力を処理した結果を計算エンティティ１０に提供するための通信インターフェース４２０を含んでもよい。様々な実施形態において、計算エンティティ１０及びコントローラ３０は、直接有線及び／若しくは無線接続、並びに／又は１つ以上の有線及び／若しくは無線ネットワーク２０を介して通信し得る。
例示的な計算エンティティ

【0052】

図５は、本発明の実施形態と共に使用され得る例示的な計算エンティティ１０の例示的な概略図を提供する。様々な実施形態において、計算エンティティ１０は、ユーザが、入力を（例えば、計算エンティティ１０のユーザインターフェースを介して）量子コンピュータ１１０に提供し、量子コンピュータ１１０からの出力を受信すること、表示すること、分析することなどを可能にするように構成される。例えば、ユーザは、計算エンティティ１０を動作させて、（例えば、Ｄ状態のＡＣシュタルクシフトゲートを含む）量子アルゴリズム及び／又は量子回路を発生させ、かつ／又はプログラムすることができ、量子アルゴリズム及び／又は量子回路は、コントローラ３０が量子アルゴリズム及び／又は量子回路を受信し、量子コンピュータ１１０に量子アルゴリズム及び／又は量子回路を実施させることができるように提供され得る。

【0053】

図５に示されるように、計算エンティティ１０は、アンテナ５１２、伝送機５０４（例えば、無線機）、受信機５０６（例えば、無線機）、並びに伝送機５０４及び受信機５０６のそれぞれに信号を提供し、それぞれから信号を受信する処理要素５０８を含んでもよい。伝送機５０４及び受信機５０６のそれぞれに提供され、それぞれから受信される信号は、コントローラ３０、他の計算エンティティ１０などのような様々なエンティティと通信するための、適用可能な無線システムのエアインターフェース標準に従って、信号情報／データを含んでもよい。この点に関して、計算エンティティ１０は、１つ以上のエアインターフェース標準、通信プロトコル、変調タイプ、及びアクセスタイプで動作することができる場合がある。例えば、計算エンティティ１０は、ファイバ分散データインターフェース（fiber distributed data interface、ＦＤＤＩ）、デジタル加入者線（digital subscriber line、ＤＳＬ）、Ｅｔｈｅｒｎｅｔ、非同期転送モード（asynchronous transfer mode、ＡＴＭ）、フレームリレー、ケーブルによるデータサービスインターフェース仕様（data over cable service interface specification、ＤＯＣＳＩＳ）、又は任意の他の有線伝送プロトコルなどの有線データ伝送プロトコルを使用して通信を受信及び／又は提供するように構成され得る。同様に、計算エンティティ１０は、汎用パケット無線サービス（general packet radio service、ＧＰＲＳ）、ユニバーサル移動体通信システム（Universal Mobile Telecommunications System、ＵＭＴＳ）、符号分割多元接続２０００（Code Division Multiple Access 2000、ＣＤＭＡ２０００）、ＣＤＭＡ２０００ １Ｘ（１ｘＲＴＴ）、広帯域符号分割多元接続（Wideband Code Division Multiple Access、ＷＣＤＭＡ）、世界移動体通信システム（Global System for Mobile Communication、ＧＳＭ）、ＧＳＭ革新のための強化データレート（Enhanced Data rates for GSM Evolution、ＥＤＧＥ）、時分割－同期符号分割多元接続（Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access、ＴＤ－ＳＣＤＭＡ）、ロングタームエボリューション（Long Term Evolution、ＬＴＥ）、進化型ユニバーサル地上無線アクセスネットワーク（Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network、Ｅ－ＵＴＲＡＮ）、エボリューションデータオプティマイズド（Evolution-Data Optimized、ＥＶＤＯ）、高速パケットアクセス（High Speed Packet Access、ＨＳＰＡ）、高速ダウンリンクパケットアクセス（High-Speed Downlink Packet Access、ＨＳＤＰＡ）、ＩＥＥＥ８０２．１１（Ｗｉ－Ｆｉ）、Ｗｉ－Ｆｉ Ｄｉｒｅｃｔ、８０２．１６（ＷｉＭＡＸ）、超広帯域（ultra wideband、ＵＷＢ）、赤外線（infrared、ＩＲ）プロトコル、近距離通信（near field communication、ＮＦＣ）プロトコル、Ｗｉｂｒｅｅ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈプロトコル、無線ユニバーサルシリアルバス（wireless universal serial bus、ＵＳＢ）プロトコル、及び／又は任意の他の無線プロトコルなどの様々なプロトコルのいずれかを使用して、無線外部通信ネットワークを介して通信するように構成され得る。計算エンティティ１０は、かかるプロトコル及び標準を、ボーダゲートウェイプロトコル（Border Gateway Protocol、ＢＧＰ）、動的ホスト構成プロトコル（Dynamic Host Configuration Protocol、ＤＨＣＰ）、ドメイン名システム（Domain Name System、ＤＮＳ）、ファイル転送プロトコル（File Transfer Protocol、ＦＴＰ）、ハイパーテキスト転送プロトコル（Hypertext Transfer Protocol、ＨＴＴＰ）、ＨＴＴＰオーバーＴＬＳ／ＳＳＬ／Ｓｅｃｕｒｅ、インターネットメッセージアクセスプロトコル（Internet Message Access Protocol、ＩＭＡＰ）、ネットワークタイムプロトコル（Network Time Protocol、ＮＴＰ）、シンプルメール転送プロトコル（Simple Mail Transfer Protocol、ＳＭＴＰ）、Ｔｅｌｎｅｔ、トランスポートレイヤーセキュリティ（Transport Layer Security、ＴＬＳ）、セキュアソケットレイヤー（Secure Sockets Layer、ＳＳＬ）、インターネットプロトコル（Internet Protocol、ＩＰ）、伝送制御プロトコル（Transmission Control Protocol、ＴＣＰ）、ユーザデータグラムプロトコル（User Datagram Protocol、ＵＤＰ）、データグラムコンジェスチョンコントロールプロトコル（Datagram Congestion Control Protocol、ＤＣＣＰ）、ストリーム制御伝送プロトコル（Stream Control Transmission Protocol、ＳＣＴＰ）、ハイパーテキストマークアップ言語（HyperText Markup Language、ＨＴＭＬ）などを使用した通信のために使用することができる。

【0054】

これらの通信標準及びプロトコルを介して、計算エンティティ１０は、非構造付加サービス情報／データ（Unstructured Supplementary Service information/data、ＵＳＳＤ）、ショートメッセージサービス（Short Message Service、ＳＭＳ）、マルチメディアメッセージサービス（Multimedia Messaging Service、ＭＭＳ）、デュアルトーンマルチ周波数信号（Dual-Tone Multi-Frequency Signaling、ＤＴＭＦ）、及び／又は加入者識別モジュールダイヤラ（Subscriber Identity Module Dialer、ＳＩＭダイヤラ）などの概念を使用して、様々な他のエンティティと通信することができる。計算エンティティ１０はまた、例えば、そのファームウェア、ソフトウェア（例えば、実行可能な命令、アプリケーション、プログラムモジュールを含む）、及びオペレーティングシステムに、変更、アドオン、及び更新をダウンロードすることができる。

【0055】

計算エンティティ１０はまた、１つ以上のユーザ入力／出力インターフェース（例えば、処理要素５０８に連結されたディスプレイ５１６及び／又はスピーカ／スピーカドライバ、並びに処理要素５０８に連結されたタッチスクリーン、キーボード、マウス、及び／又はマイクロフォン）を備えるユーザインターフェース装置を含んでもよい。例えば、ユーザ出力インターフェースは、アプリケーション、ブラウザ、ユーザインターフェース、インターフェース、ダッシュボード、スクリーン、ウェブページ、ページ、及び／又は本明細書で互換可能に使用される類似の単語を提供するように構成され、情報／データを表示又は可聴提示させるため、及び１つ以上のユーザ入力インターフェースを介して情報／データと相互作用させるように、計算エンティティ１０上で実行され、かつ／又は計算エンティティ１０を介してアクセス可能であってもよい。ユーザ入力インターフェースは、キーパッド５１８（ハード若しくはソフト）、タッチディスプレイ、音声／発話若しくは運動インターフェース、スキャナ、リーダ、又は他の入力装置など、計算エンティティ１０がデータを受信することを可能にする多数の装置のうちのいずれかを含んでもよい。キーパッド５１８を含む実施形態では、キーパッド５１８は、従来の数字（０～９）及び関連するキー（＃、^＊）、並びに計算エンティティ１０を動作させるために使用される他のキーを含んでもよく（又はそれらを表示させてもよく）、英数字キーの完全なセット、又は英数字キーの完全なセットを提供するように起動され得るキーのセットを含んでもよい。入力を提供することに加えて、例えば、ユーザ入力インターフェースを使用して、スクリーンセーバ及び／若しくはスリープモードなどのある特定の機能を起動又は起動解除することができる。かかる入力により、計算エンティティ１０は、情報／データ、ユーザ対話／入力などを収集することができる。

【0056】

計算エンティティ１０はまた、揮発性記憶域若しくはメモリ５２２、及び／又は不揮発性記憶域若しくはメモリ５２４を含んでもよく、これらは、埋め込まれてもよいし、かつ／又は取り外し可能であってもよい。例えば、不揮発性メモリは、ＲＯＭ、ＰＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、フラッシュメモリ、ＭＭＣ、ＳＤメモリカード、メモリスティック、ＣＢＲＡＭ、ＰＲＡＭ、ＦｅＲＡＭ，ＲＲＡＭ、ＳＯＮＯＳ、レーストラックメモリなどであってもよい。揮発性メモリは、ＲＡＭ、ＤＲＡＭ、ＳＲＡＭ、ＦＰＭ ＤＲＡＭ、ＥＤＯ ＤＲＡＭ、ＳＤＲＡＭ、ＤＤＲ ＳＤＲＡＭ、ＤＤＲ２ ＳＤＲＡＭ、ＤＤＲ３ ＳＤＲＡＭ、ＲＤＲＡＭ、ＲＩＭＭ、ＤＩＭＭ、ＳＩＭＭ、ＶＲＡＭ、キャッシュメモリ、レジスタメモリなどであってもよい。揮発性及び不揮発性記憶域又はメモリは、データベース、データベースインスタンス、データベース管理システムエンティティ、データ、アプリケーション、プログラム、プログラムモジュール、スクリプト、ソースコード、オブジェクトコード、バイトコード、コンパイルされたコード、解釈されたコード、マシンコード、実行可能な命令などを記憶して、計算エンティティ１０の機能を実装することができる。
結論

【0057】

本明細書に記載される本発明の多くの修正例及び他の実施形態は、前述の説明及び関連付けられた図面に提示される教示の利益を有する、本発明に関係がある当業者に着想されるであろう。したがって、本発明は、開示される特定の実施形態に限定されるものではないこと、並びに修正例及び他の実施形態は、添付の特許請求の範囲内に含まれることが意図されることを理解されたい。特定の用語が本明細書で用いられているが、これらは一般的かつ記述的な意味でのみ使用され、限定の目的では使用されない。

【図1】

【図2】

【図3A】

【図3B】

【図4】

【図5】