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(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】2023-12-15
(45)【発行日】2023-12-25
(54)【発明の名称】量子処理のための音響光学変調器構成
(51)【国際特許分類】
G02F 1/11 20060101AFI20231218BHJP
【ＦＩ】
G02F1/11 505
【請求項の数】
19
(21)【出願番号】P 2020570562
(86)(22)【出願日】2019-07-22
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2021-11-25
(86)【国際出願番号】 US2019042841
(87)【国際公開番号】W WO2020036707
(87)【国際公開日】2020-02-20
【審査請求日】2022-05-27
(31)【優先権主張番号】62/702,111
(32)【優先日】2018-07-23
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】16/515,508
(32)【優先日】2019-07-18
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(73)【特許権者】
【識別番号】520159592
【氏名又は名称】ユニバーシティ オブ メリーランド， カレッジ パーク
(73)【特許権者】
【識別番号】520132894
【氏名又は名称】イオンキュー インコーポレイテッド
(74)【代理人】
【識別番号】100120891
【弁理士】
【氏名又は名称】林 一好
(74)【代理人】
【識別番号】100165157
【弁理士】
【氏名又は名称】芝 哲央
(74)【代理人】
【識別番号】100205659
【弁理士】
【氏名又は名称】齋藤 拓也
(74)【代理人】
【識別番号】100126000
【弁理士】
【氏名又は名称】岩池 満
(74)【代理人】
【識別番号】100185269
【弁理士】
【氏名又は名称】小菅 一弘
(72)【発明者】
【氏名】アミニ ジェイソン マジディ
(72)【発明者】
【氏名】ミツラヒ ジョナサン
(72)【発明者】
【氏名】フデック カイ
(72)【発明者】
【氏名】ゴールドマン マイケル
(72)【発明者】
【氏名】スー ユアン
【審査官】山本 元彦
(56)【参考文献】
【文献】特表２０１５－５０７７６６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２０１４－５１７９２９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２００８－５０２０１０（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２００２／０１４１０３５（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０２Ｆ １／００－１／１２５
Ｇ０２Ｆ １／２１－７／００
ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＭＥＤＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
量子処理においてレーザビーム伝搬を制御するための方法であって、第一のＡＯＭによって、入射レーザビームから第一の高周波（ＲＦ）トーンに基づく第一の回折レーザビームと、第二のＲＦトーンに基づく第二の回折レーザビームとを生成するステップであって、前記第一の回折レーザビームと前記第二の回折レーザビームとは異なる角度で回折される、ステップと、
光学部品を介して、前記第一の回折レーザビームおよび前記第二の回折レーザビームを第二のＡＯＭに集束させる、ステップと、
前記第二のＡＯＭによって、前記第一の回折レーザビームおよび前記第二の回折レーザビームから、前記第一のＲＦトーンおよび第三のＲＦトーンに基づく第三の回折レーザビームと、前記第二のＲＦトーンおよび第四のＲＦトーンに基づく第四の回折レーザビームとを少なくとも生成するステップであって、前記第三の回折レーザビームと前記第四の回折レーザビームとは、トラップ内のイオン鎖内のそれぞれのイオンに入射するときに、実質的に平行になるように回折される、ステップと、
前記イオン内の量子情報を制御して、前記第三の回折レーザビームおよび前記第四の回折レーザビームに基づいて、量子処理を実行するステップと、
を含む、レーザビーム伝搬を制御するための方法。
【請求項2】
前記入射レーザビームの入射角と、前記第一の回折レーザビームおよび前記第二の回折レーザビームの前記第二のＡＯＭへの集束は、ブラッグ角に基づく、請求項１に記載のレーザビーム伝搬を制御するための方法。
【請求項3】
前記第一のＲＦトーンは前記第三のＲＦトーンと同じであり、前記第二のＲＦトーンは前記第四のＲＦトーンと同じであり、
前記第三の回折レーザビームと前記第四の回折レーザビームとは、それぞれの前記イオンで共伝搬する、
請求項１に記載のレーザビーム伝搬を制御するための方法。
【請求項4】
前記第一のＲＦトーンは前記第三のＲＦトーンとは異なり、前記第二のＲＦトーンは前記第四のＲＦトーンとは異なり、
前記第三の回折レーザビームと前記第四の回折レーザビームとは、それぞれの前記イオンで実質的に共伝搬する、
請求項１に記載のレーザビーム伝搬を制御するための方法。
【請求項5】
前記第一のＲＦトーンに基づく第一のＲＦ制御信号を生成するステップと、前記第二のＲＦトーンに基づく第二のＲＦ制御信号を生成するステップと、
前記第三のＲＦトーンに基づく第三のＲＦ制御信号を生成するステップと、
前記第四のＲＦトーンに基づく第四のＲＦ制御信号を生成するステップと、
前記第一のＲＦ制御信号および前記第二のＲＦ制御信号を前記第一のＡＯＭに供給して、前記第一の回折レーザビームおよび前記第二の回折レーザビームを生成するステップと、
前記第三のＲＦ制御信号および前記第四のＲＦ制御信号を前記第二のＡＯＭに供給して、前記第一の回折レーザビームおよび前記第二の回折レーザビームを生成するステップと、
をさらに含む、請求項１に記載のレーザビーム伝搬を制御するための方法。
【請求項6】
前記第三の回折レーザビームおよび前記第四の回折レーザビームを少なくとも生成するステップは、前記第一のＲＦトーンおよび前記第四のＲＦトーンに基づく第五の回折レーザビームと、前記第二のＲＦトーンおよび前記第三のＲＦトーンに基づく第六の回折レーザビームを生成するステップを含み、前記方法は、空間フィルタリングによって、前記第三の回折レーザビームおよび前記第四の回折レーザビームを前記第五の回折レーザビームおよび前記第六の回折レーザビームから絶縁するステップをさらに含む、請求項１に記載のレーザビーム伝搬を制御するための方法。
【請求項7】
前記第一のＡＯＭおよび前記第二のＡＯＭのそれぞれは、マルチチャネルＡＯＭであり、前記第一のＡＯＭの各チャネルは、それぞれの第一のＲＦトーンおよび第二のＲＦトーンを有し、
前記第二のＡＯＭの各チャネルは、それぞれの第三のＲＦトーンおよび第四のＲＦトーンを有する、
請求項１に記載のレーザビーム伝搬を制御するための方法。
【請求項8】
前記第一のＡＯＭはマルチチャネルＡＯＭであり、前記第二のＡＯＭはシングルチャネルＡＯＭであるか、あるいは前記第一のＡＯＭはシングルチャネルＡＯＭであり、前記第二のＡＯＭはマルチチャネルＡＯＭである、
請求項１に記載のレーザビーム伝搬を制御するための方法。
【請求項9】
前記第一のＡＯＭは大アパーチャＡＯＭであり、前記第二のＡＯＭはマルチチャネルＡＯＭであり、前記第一のＲＦトーンおよび前記第二のＲＦトーンは前記第一のＡＯＭの全てのチャネルに共通であり、
前記第三のＲＦトーンおよび前記第四のＲＦトーンは前記第二のＡＯＭのチャネルのそれぞれに個別に設定される、
請求項１に記載のレーザビーム伝搬を制御するための方法。
【請求項10】
前記第一のＡＯＭはマルチチャネルＡＯＭであり、前記第二のＡＯＭは大アパーチャＡＯＭであり、前記第一のＲＦトーンおよび前記第二のＲＦトーンは前記第一のＡＯＭのチャネルのそれぞれに対して個別に設定され、
前記第三のＲＦトーンおよび前記第四のＲＦトーンは前記第二のＡＯＭの全てのチャネルに共通である、
請求項１に記載のレーザビーム伝搬を制御するための方法。
【請求項11】
量子処理においてレーザビーム伝搬を制御するための方法であって、第一のＡＯＭによって、入射レーザビームから第一の高周波（ＲＦ）トーンに基づく第一の回折レーザビームと、第二のＲＦトーンに基づく第二の回折レーザビームとを生成するステップであって、前記第一の回折レーザビームと前記第二の回折レーザビームとは異なる角度で回折される、ステップと、
光学部品を介して、前記第一の回折レーザビームおよび前記第二の回折レーザビームを、対向するブラッグ角経路に集束させて、第二のＡＯＭに入れる、ステップと、
前記第二のＡＯＭによって、前記第一の回折レーザビームおよび前記第二の回折レーザビームから、前記第一のＲＦトーンおよび第三のＲＦトーンに基づく第三の回折レーザビームと、前記第二のＲＦトーンおよび第三のＲＦトーンに基づく第四の回折レーザビームとを少なくとも生成するステップであって、前記第三の回折レーザビームと前記第四の回折レーザビームとは、トラップ内のイオン鎖内のそれぞれのイオンに入射するときに、実質的に平行になるように回折される、ステップと、
前記イオン内の量子情報を制御して、前記第三の回折レーザビームおよび前記第四の回折レーザビームに基づいて、量子処理を実行するステップと、
を含む、レーザビーム伝搬を制御するための方法。
【請求項12】
前記第一のＡＯＭおよび前記第二のＡＯＭのそれぞれは、マルチチャネルＡＯＭであり、前記第一のＡＯＭの各チャネルは、それぞれの第一のＲＦトーンおよび第二のＲＦトーンを有し、
前記第二のＡＯＭの各チャネルは、それぞれの第三のＲＦトーンを有する、
請求項１１に記載のレーザビーム伝搬を制御するための方法。
【請求項13】
前記第一のＡＯＭはマルチチャネルＡＯＭであり、前記第二のＡＯＭはシングルチャネルＡＯＭであるか、あるいは前記第一のＡＯＭはシングルチャネルＡＯＭであり、前記第二のＡＯＭはマルチチャネルＡＯＭである、
請求項１１に記載のレーザビーム伝搬を制御するための方法。
【請求項14】
前記第一のＡＯＭは大アパーチャＡＯＭであり、前記第二のＡＯＭはマルチチャネルＡＯＭであり、前記第一のＲＦトーンおよび前記第二のＲＦトーンは前記第一のＡＯＭの全てのチャネルに共通であり、
前記第三のＲＦトーンは前記第二のＡＯＭのチャネルのそれぞれに個別に設定される、
請求項１１に記載のレーザビーム伝搬を制御するための方法。
【請求項15】
前記第一のＡＯＭはマルチチャネルＡＯＭであり、前記第二のＡＯＭは大アパーチャＡＯＭであり、前記第一のＲＦトーンおよび前記第二のＲＦトーンは前記第一のＡＯＭのチャネルのそれぞれに対して個別に設定され、
前記第三のＲＦトーンは前記第二のＡＯＭの全てのチャネルに共通である、
請求項１１に記載のレーザビーム伝搬を制御するための方法。
【請求項16】
量子処理においてレーザビーム伝搬を制御するための量子情報処理（ＱＩＰ）システムであって、レーザビームを生成するように構成された１つまたは複数の光源と、
前記レーザビームから、第一の高周波（ＲＦ）トーンに基づく第一の回折レーザビームと、第二のＲＦトーンに基づく第二の回折レーザビームとを生成するように構成された第一の音響光学変調器（ＡＯＭ）であって、前記第一の回折レーザビームと前記第二の回折レーザビームとは異なる角度で回折される、第一のＡＯＭと、
前記第一の回折レーザビームおよび前記第二の回折レーザビームを第二のＡＯＭに集束させるように構成された光学部品と、
前記第一の回折レーザビームおよび前記第二の回折レーザビームから、前記第一のＲＦトーンおよび第三のＲＦトーンに基づく第三の回折レーザビームと、前記第二のＲＦトーンおよび第四のＲＦトーンに基づく第四の回折レーザビームとを生成するように構成された第二のＡＯＭであって、前記第三の回折レーザビームと前記第四の回折レーザビームとは、トラップ内のイオン鎖内のそれぞれのイオンに入射するときに、実質的に平行になるように回折される、第二のＡＯＭと、
前記第三の回折レーザビームおよび前記第四の回折レーザビームに基づいて量子処理を実行するように前記イオン中の量子情報を制御するように構成されたビームコントローラと、を含む、ＱＩＰシステム。
【請求項17】
前記第一のＡＯＭおよび前記第二のＡＯＭのそれぞれは、マルチチャネルＡＯＭであり、前記第一のＡＯＭの各チャネルは、それぞれの第一のＲＦトーンおよび第二のＲＦトーンを有し、
前記第二のＡＯＭの各チャネルは、それぞれの第三のＲＦトーンを有する、
請求項１６に記載のＱＩＰシステム。
【請求項18】
前記第一のＡＯＭはマルチチャネルＡＯＭであり、前記第二のＡＯＭはシングルチャネルＡＯＭであるか、あるいは前記第一のＡＯＭはシングルチャネルＡＯＭであり、前記第二のＡＯＭはマルチチャネルＡＯＭである、
請求項１６に記載のＱＩＰシステム。
【請求項19】
前記第一のＡＯＭは大アパーチャＡＯＭであり、前記第二のＡＯＭはマルチチャネルＡＯＭであるか、あるいは前記第一のＡＯＭはマルチチャネルＡＯＭであり、前記第二のＡＯＭは大アパーチャＡＯＭである、
請求項１６に記載のＱＩＰシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
（関連出願の相互参照）
本特許出願は、２０１９年７月１８日に出願された「量子処理のための音響光学変調器構成」と題する米国非仮特許出願第１６／５１５，５０８号、および２０１８年７月２３日に出願された「量子処理のための音響光学変調器構成」と題する米国仮特許出願第６２／７０２，１１１号による優先権を主張し、その内容全体が参照により本明細書に組み込まれる。
本特許出願は、２０１９年７月１８日に出願された「量子処理のための音響光学変調器構成」と題する米国非仮特許出願第１６／５１５，５０８号、および２０１８年７月２３日に出願された「量子処理のための音響光学変調器構成」と題する米国仮特許出願第６２／７０２，１１１号による優先権を主張し、その内容全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【0002】
（政府実施許諾権）
本発明は、ＩＡＲＰＡによるアワード（Ａｗａｒｄ）第Ｗ９１１ＮＦ１６１００８２号の下で政府の支援を受けてなされた。米国政府は、本発明に一定の権利を有する。
本発明は、ＩＡＲＰＡによるアワード（Ａｗａｒｄ）第Ｗ９１１ＮＦ１６１００８２号の下で政府の支援を受けてなされた。米国政府は、本発明に一定の権利を有する。
【0003】
本開示の態様は、一般に、量子システムに関し、より具体的には、量子システムにおける量子処理のための音響光学変調器（ＡＯＭ）構成に関する。
【背景技術】
【0004】
トラップされた原子は、量子情報処理の主要な実装の１つである。原子ベースの量子ビットは、量子メモリとして、量子コンピュータやシミュレータの量子ゲートとして使用でき、量子通信ネットワークのノードとして機能することができる。
【0005】
しかしながら、原子およびイオンをベースとする量子コンピューティングは、量子ビットに格納された量子情報を操作するために、レーザ位相、周波数、振幅、および／または極性の正確な制御を必要とする。ＡＯＭは、多くの場合、位相、周波数、および振幅を制御するために使用される。ＡＯＭの特徴の１つは、制御されたレーザビームが制御されていない部分から偏向され、２つを分離できることである。欠点は、このたわみが周波数に依存することである。例えば、２つ以上の周波数がＡＯＭに適用される場合、得られるビームは互いに発散する。このビームのファンを原子またはイオン上に再集束するには、複雑な光学系が必要であり、得られるビームは、共伝搬しない（例えば、それらが原子に到達する点で整列していないか、または実質的に平行でない）。得られるビームは、量子操作中の望ましくない自由度からの分離を制限する。この周波数依存性を除去または低減することにより、量子操作の制御を改善することができるであろう。
【0006】
さらに、光の偏光を細かく迅速に制御することにより、量子操作の体系性を減らすことができる。このような制御をするための主な方法は、偏光ドリフトに悩まされる電気光学変調器（ＥＯＭ）である。このドリフトを低減または排除するであろうＥＯＭの代替方法は、高品質な量子操作のための強力なツールを提供するであろう。
【0007】
したがって、原子またはイオン上へのビームのより良好な再集束を可能にする技術、およびドリフトを低減または排除するＥＯＭの代替が望ましい。
【発明の概要】
【0008】
以下は、そのような態様の基本的な理解を提供するために、１つまたは複数の態様の簡略化された概要を提示する。この概要は、全ての企図された態様の広範な概観ではなく、あらゆる態様の主要または重要な要素を識別することも、一部または全部の態様の範囲を表現することも意図されていない。その目的は、後に提示されるより詳細な説明の前置きとして、１つまたは複数の態様のいくつかの概念を簡略化された形態で提示することである。
【0009】
本開示は、位相、周波数、ＡＯＭのペアによる構成を説明するが、この構成によって、振幅の制御を維持しながら、ＡＯＭの周波数依存性を低減または排除できる。また、ＡＯＭの偏光依存性を利用して、透過光の偏光を制御するための構成も説明する。
【0010】
本開示の態様では、量子処理において、レーザビーム伝搬を制御するための方法が記載される。この方法は、第一のＡＯＭによって、入射レーザビームから第一の高周波（ＲＦ）トーンに基づく第一の回折レーザビームと、第二のＲＦトーンに基づく第二の回折レーザビームとを生成するステップであって、第一の回折レーザビームと第二の回折レーザビームとは異なる角度で回折される、ステップと、光学部品を介して、第一の回折レーザビームおよび第二の回折レーザビームを第二のＡＯＭに集束させる、ステップと、第二のＡＯＭによって、第一の回折レーザビームおよび第二の回折レーザビームから、第一のＲＦトーンおよび第三のＲＦトーンに基づく第三の回折レーザビームと、第二のＲＦトーンおよび第四のＲＦトーンに基づく第四の回折レーザビームとを少なくとも生成するステップであって、第三の回折レーザビームと第四の回折レーザビームとは、トラップ内のイオン鎖内のそれぞれのイオンに入射するときに、実質的に平行になるように回折される、ステップと、イオン内の量子情報を制御して、第三の回折レーザビームと第四の回折レーザビームとに基づいて量子処理を実行するステップと、を含む。
【0011】
本開示の別の態様では、量子処理において、レーザビーム伝搬を制御するための方法が記載される。この方法は、第一のＡＯＭによって、入射レーザビームから第一の高周波（ＲＦ）トーンに基づく第一の回折レーザビームと、第二のＲＦトーンに基づく第二の回折レーザビームとを生成するステップであって、第一の回折レーザビームと第二の回折レーザビームとは異なる角度で回折される、ステップと、光学部品を介して、第一の回折レーザビームおよび第二の回折レーザビームを、対向するブラッグ角経路に集束させて、第二のＡＯＭに入れるステップと、第二のＡＯＭによって、第一の回折レーザビームおよび第二の回折レーザビームから、第一のＲＦトーンおよび第三のＲＦトーンに基づく第三の回折レーザビームと、第二のＲＦトーンおよび第三のＲＦトーンに基づく第四の回折レーザビームとを少なくとも生成するステップであって、第三の回折レーザビームと第四の回折レーザビームとは、トラップ内のイオン鎖内のそれぞれのイオンに入射するときに、実質的に平行になるように回折される、ステップと、イオン内の量子情報を制御して、第三の回折レーザビームと第四の回折レーザビームとに基づいて量子処理を実行するステップと、を含む。
【0012】
本開示の別の態様では、量子処理においてレーザビーム伝搬を制御するための量子情報処理（ＱＩＰ）システムが記載される。このＱＩＰシステムは、レーザビームを生成するように構成された１つまたは複数の光源と、レーザビームから、第一のＲＦトーンに基づく第一の回折レーザビームと、第二のＲＦトーンに基づく第二の回折レーザビームとを生成するように構成された第一のＡＯＭであって、第一の回折レーザビームと第二の回折レーザビームとは異なる角度で回折される、第一のＡＯＭと、第一の回折レーザビームおよび第二の回折レーザビームを第二のＡＯＭに集束させるように構成された光学部品と、第一の回折レーザビームおよび第二の回折レーザビームから、第一のＲＦトーンおよび第三のＲＦトーンに基づく第三の回折レーザビームと、第二のＲＦトーンおよび第四のＲＦトーンに基づく第四の回折レーザビームとを少なくとも生成するように構成された第二のＡＯＭであって、第三の回折レーザビームと第四の回折レーザビームとは、トラップ内のイオン鎖内のそれぞれのイオンに入射するときに、実質的に平行になるように回折される、第二のＡＯＭと、第三の回折レーザビームおよび第四の回折レーザビームに基づいて量子処理を実行するようにイオン中の量子情報を制御するように構成されたビームコントローラと、を含む。
【0013】
本開示のさらに別の態様では、量子処理における偏光制御のための方法が記載される。この方法は、ＡＯＭに入射レーザビームを提供するステップと、ＡＯＭによって、入射レーザビームから、ＡＯＭに印加されたＲＦ信号に基づいて、非回折レーザビームおよび回折レーザビームを生成するステップであって、非回折レーザビームの偏光が入射レーザビームの偏光に対して回転される、ステップと、非回折レーザビームをトラップ内のイオン鎖のイオンに照射して、イオン内の量子情報を制御することによって、量子処理を実行するステップと、を含む。
【0014】
本明細書で説明される方法のそれぞれは、ＱＩＰシステムまたは装置において、およびコンピュータ可読媒体の一部として実装されてもよい。
【0015】
添付の図面は、いくつかの実施態様のみを示しており、したがって、範囲を限定するものと見なされるべきではない。
【図面の簡単な説明】
【0016】
【図1A】本開示の態様に従って、線状結晶または格子を形成する原子イオンのトラップを表すダイアグラムを示す。
【図1B】本開示の態様に従って、状態を初期化するためのレーザ放射線の照射を示す低減エネルギー準位図の一例を表すダイアグラムである。
【図1C】本開示の態様に従って、蛍光を介して量子ビット状態を検出するためのレーザ放射線の照射を示す低減エネルギー準位図の一例を表すダイアグラムである。
【図2】回折レーザビームの周波数依存性の一例を表すダイアグラムである。
【図3】本開示の態様に従って、シングルチャネル用の展開ＡＯＭ構成の一例を表すダイアグラムを示す。
【図4】本開示の態様に従って、マルチチャネルＡＯＭを使用する展開ＡＯＭ構成の例を表すダイアグラムを示す。
【図5A】本開示の態様に従って、一方のＡＯＭがマルチチャネルＡＯＭであり、他方のＡＯＭが大アパーチャＡＯＭである展開ＡＯＭ構成の例を表すダイアグラムである。
【図5B】本開示の態様に従って、一方のＡＯＭがマルチチャネルＡＯＭであり、他方のＡＯＭが大アパーチャＡＯＭである展開ＡＯＭ構成の例を表すダイアグラムである。
【図6】本開示の態様に従って、展開ＡＯＭ構成の別の例を表すダイアグラムである。
【図7A】本開示の態様に従って、ＡＯＭを使用する偏光制御の例を表すダイアグラムである。
【図7B】本開示の態様に従って、ＡＯＭを使用する偏光制御の例を表すダイアグラムである。
【図7C】本開示の態様に従って、ＡＯＭを使用する偏光制御の例を表すダイアグラムである。
【図8】本開示の態様に従って、コンピュータ装置の一例を表すダイアグラムである。
【図9】本開示の態様に従う方法の例を示すフロー図である。
【図10】本開示の態様に従う方法の例を示すフロー図である。
【図11】本開示の態様に従う方法の例を示すフロー図である。
【図12A】本開示の態様に従って、量子情報処理（ＱＩＰ）システムの例を示すブロック図である。
【図12B】本開示の態様に従って、並列化側波帯冷却に関連して使用される光学コントローラの一例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【0017】
添付の図面に関連して以下に記載される詳細な説明は、様々な構成の説明として意図されており、本明細書で説明される概念が実施され得る唯一の構成を表すことを意図していない。詳細な説明は、様々な概念の完全な理解を提供する目的で、特定の詳細を含む。しかしながら、これらの概念は、これらの特定の詳細なしに実施されてもよいことは、当業者には明らかであろう。場合によっては、そのような概念を曖昧にすることを避けるために、周知の部品がブロック図の形態で示される。
【0018】
上述のように、トラップされた原子は、量子情報処理を実施するために使用されてもよい。原子ベースの量子ビットは、異なるタイプの装置として使用され得る。これらの装置には、量子メモリと、量子コンピュータおよびシミュレータにおける量子ゲートと、量子通信ネットワークのためのノードが含まれるが、これらに限定されない。トラップ原子イオンに基づく量子ビットは、非常に良好なコヒーレンス特性を有することができ、ほぼ１００％の効率で準備して、測定することができ、光場およびマイクロ波場などの適切な外部制御場と、クーロン相互作用を変調することによって、互いに容易に絡み合うことができる。本開示で使用されるように、用語「原子イオン」、「原子」、「イオン化原子」、および「イオン」は、結晶、格子、または同様の配置もしくは構成を形成するために、トラップ内に閉じ込められることになる粒子、または実際に閉じ込められている粒子を記述するために互換的に使用することができる。本開示は、位相、周波数、および振幅の制御を維持しながら、ＡＯＭの周波数依存性を低減するのに役立つ特定の構成で量子処理においてＡＯＭを使用するための方法またはプロセスおよび機器または装置の形態の技術を説明する。本開示は、透過光の偏光を制御するためにＡＯＭの偏光依存性を使用するための方法またはプロセスおよび機器または装置の形態の技術も説明する。
【0019】
量子情報および計測目的に使用される典型的なイオントラップの幾何学的形状または構造は、線形高周波（ＲＦ）パウルトラップ（ＲＦトラップまたは単にパウルトラップとも呼ばれる）であり、ここで、近くの電極層は、イオンの効果的な不均一な高調波閉じ込めにつながる静的および動的電位を保持する。ＲＦパウルトラップは、電場を使用して、荷電粒子を特定の領域、位置、または場所にトラップするタイプ、または閉じ込めるタイプのトラップである。原子イオンがこのようなトラップの中で非常に低温までレーザ冷却されると、原子イオンは量子ビットの静止結晶（例えば、量子ビットの構造化配置）を形成し、クーロン斥力が外部閉じ込め力と釣り合う。十分なトラップ異方性のために、イオンは、閉じ込めの弱い方向に沿って線状結晶を形成することができ、これは、量子情報および計測学におけるアプリケーションに典型的に採用される配置である。
【0020】
原子およびイオン量子コンピューティングは、結晶または格子内の量子ビットに格納された量子情報を操作するために、レーザ位相、周波数、振幅、および極性（例えば、偏光）の正確な制御を必要とする。例えば、量子ビットを使用して異なる量子ゲートをイネーブルまたは実現するために使用されるレーザビームの特性（一般にゲートビームと呼ばれる）は、適切な量子操作を効果的に実行するために正確に制御される必要がある。以下に、このような量子ビットを用いて改良された量子処理のためにＡＯＭ構成を使用するための種々の技術に関する付加的な詳細を示す。
【0021】
図１Ａは、例えば、（真空チャンバ内の電極を使用することによって）線形ＲＦパウルトラップを使用する線状結晶１１０内の原子イオンのトラップを表す図１００を示す。図１Ａに示す例では、量子システムの真空チャンバは、Ｎ（Ｎ≧１）個の原子イッテルビウムイオン（例えば、１７１Ｙｂ＋イオン）をトラップするための１組の電極を含むことができ、これらのイオンは、線状結晶１１０内に閉じ込められており、レーザ冷却してほぼ静止させることができる。トラップされる原子イオンの数は、構成可能であり得る。原子は、１７１Ｙｂ＋の共鳴に同調されたレーザ放射で照射され、原子イオンの蛍光は、カメラ上に画像化される。一例では、原子イオンは、互いに約５マイクロメートル（μｍ）の距離１１５（例えば、３～７μｍの範囲）だけ分離することができ、これは蛍光によって検証することができる。原子イオンの分離は、外部閉じ込め力とクーロン反発力との間のバランスによって決定される。
【0022】
個々のトラップ原子イオンの強い蛍光は、光子の効率的な循環に依存しているので、イオンの原子構造は、運動のレーザ冷却、量子ビット状態の初期化、および効率的な量子ビットの読み出しを可能にする強い閉じた光学遷移を有さなければならない。これにより、アルカリ土類（Ｂｅ＋、Ｍｇ＋、Ｃａ＋、Ｓｒ＋、Ｂａ＋）および特定の遷移金属（Ｚｎ＋、Ｈｇ＋、Ｃｄ＋、Ｙｂ＋など）など、外部電子が１つしかない単純な原子イオン以外の多くの原子イオン種が除外される可能性がある。これらの原子イオンの中で、量子ビットは、２つの安定な電子レベルによって表すことができ、多くの場合、２つの状態│↑＞と│↓＞、あるいは等価的に│１＞と│０＞を有する実効スピンによって特徴づけられる。図１Ｂおよび図１Ｃは、原子イオン１７１Ｙｂ＋についての低減されたエネルギー準位図１２０および１５０をそれぞれ示す。ここで、量子ビット準位│↑＞と│↓＞１３０は、基底電子状態における安定な超微細準位によって表され、周波数ω０／２π＝１２．６４２８１２ＧＨｚだけ分離される。１７１Ｙｂ＋中の励起電子状態│ｅ＞および│ｅ’＞、１４０は、それ自体、より小さな超微細結合によって分割され、３６９．５３ｎｍの光波長に対応するエネルギーを有する光間隔によって基底状態から分離される。
【0023】
これらの光学遷移の共鳴のすぐ下で同調されたレーザ放射によって、ドップラーレーザ冷却が、トラップの底部近くに原子イオンを閉じ込めることが可能になる。他のより洗練された形態のレーザ冷却は、原子イオンをトラップ内でほぼ静止させることができる。
【0024】
│↑＞⇔│ｅ＞遷移と│↓＞⇔│ｅ’＞遷移との両方で共鳴するバイクロマチックレーザビーム（例えば、光変調から生じる側波帯によって生成される２つのトーンを有するビーム）は、原子に照射されると、急速に状態│↓＞に落ち込み、光場と相互作用しなくなり、本質的に１００％の忠実度を有する量子ビットの初期化が可能になる（例えば、図１Ｂ参照）。
【0025】
│↑＞⇔│ｅ＞遷移と共鳴する単一のレーザビームが照射されると、閉じた循環する光学遷移によって、│↑＞状態のイオンは強く蛍光を発するが、その一方で、│↓＞状態のイオンは、レーザ周波数がその共鳴から遠く離れているために、暗いままで留まる（例えば、図１Ｃ参照）。この蛍光のごく一部を収集することだけでも、ほぼ完全な効率または精度で原子量子ビット状態を検出することが可能になる。他の原子種も同様の初期化／検出スキームを有することができる。
【0026】
図１Ｂおよび図１Ｃでは、励起電子状態│ｅ＞および│ｅ’＞１４０からの全ての許容される遷移が、下向きの波状矢印として示されている一方、照射されたレーザ放射（上向き直線矢印として示されている）は、これらの遷移を駆動して、図１Ｂに示されているように状態│↓＞に初期化し、図１Ｃに示されているように量子ビット状態の蛍光（│↑＞＝蛍光あり、│↓＞＝蛍光なし）を検出する。
【0027】
図１Ａ～図１Ｃに記載されたタイプの量子ビットを使用して量子処理を実行するには、量子ビット内の量子情報の位相、周波数、振幅、および／または偏光を制御するためにレーザビームを使用する必要がある。これを効率的に行うために、レーザビームを操作する方法において、いくつかの既存の制限を克服することが重要である。本開示では、「レーザ」、「レーザビーム」、「光ビーム」、および「ビーム」という用語は、交換可能に使用され得る。
【0028】
ＡＯＭは、レーザの周波数、位相、振幅、および／または偏光を操作または制御するために、原子およびイオン化原子に基づく量子計算アプリケーションで使用されてもよい装置であり、レーザは、原子中の量子情報を操作するために使用される。ＲＦ信号とレーザビームの両方をＡＯＭに照射すると、ＲＦ信号がレーザビームの一部分にインプリント（「変調」）される。レーザビームのその一部分は、レーザビームの影響を受けていない部分からＡＯＭによって偏向（「回折」）され、空間的に分離することができる。
【0029】
量子情報の必要な操作を生成するために、変調ビームのペアを、同じ原子に同時に照射する必要がしばしばある。ＡＯＭは、（上述したような単一のＲＦ信号ではなく）２つ以上のＲＦ信号の和を印加することによって、複数の操作されたレーザビームを生成することができる。このとき、各ＲＦ信号は、特定の周波数（例えば、ｆ１、ｆ２など）に関連付けられる。しかしながら、２つ以上のレーザビームが異なる周波数を有する場合、２つ以上の変調されたビームは、ＡＯＭによって回折された後には、重複しない。レーザビームは、両方のビームが原子またはイオンで重なり合うように、原子またはイオン上に「再集束」（または再結像）することができるが、２つのレーザビームが原子またはイオンに到達する方向は、一致しない（例えば、レーザビームが共伝搬していない）。２つのレーザビームの伝搬方向に、このような不整合があることで、量子状態の操作でエラーが生じることもある。
【0030】
図２は、上述のような回折レーザビームの周波数依存性の一例を表すダイアグラム２００を示す。この例では、第一のＲＦ信号（例えば、変調信号）は、周波数またはトーンｆ１に基づいてＲＦ発生器２１０ａによって生成され、第二のＲＦ信号は、周波数またはトーンｆ２に基づいてＲＦ発生器２１０ｂによって生成される。これらの２つの信号は、加算器２１５によって結合され、ＡＯＭ２２０ａに印加される。
【0031】
ＡＯＭ２２０ａは、入射レーザビーム２２５を受け取り、その一部は回折されない（例えば、〇次回折によって生成される非回折レーザビーム２３０）。一方、ＡＯＭ２２０ａによって回折される入射レーザビーム２２５の一部は、２つの変調レーザビームを生成する（例えば、トーンｆ１については回折レーザビーム２３５ａと、トーンｆ２については回折レーザビーム２３５ｂで、一次回折によって生成された（より高次の）回折ビームは、両方とも空間的にフィルタリングされ得る）。２つの回折レーザビームは、トーンが異なるため異なる角度で回折し、共伝搬しない。したがって、この２つの回折レーザビームは、光学素子２４０（例えば、ｆ１については集束レーザビーム２４５ａ、ｆ２については集束レーザビーム２４５ｂ）によって、量子処理のためにイオントラップ内に形成された格子または結晶内のそれぞれのイオンまたは原子２５０上に集束される必要がある。再集束されたレーザビームは、角度θによって示されるように、同じ伝搬方向でイオンまたは原子２５０に到達せず（例えば、共伝搬しない）、このたま、量子状態の操作でエラーが生じる可能性がある。
【0032】
図２のダイアグラム２００に示される構成における制約のいくつかに対処するために、回折ビーム角度の周波数依存性を低減または除去し、２つ以上のシフト周波数を有するビームが重なり合うように、あるいは、ほぼ重なり合うようにするための２つの構成が、以下に記載される。これらの構成は、シングルビームシナリオおよびマルチビームシナリオの両方に適用することができる。回折ビーム角度の周波数依存性を低減または排除することは、特定のイオンまたは原子に到達するレーザビームが、同じまたは実質的に同じ伝搬方向を有する（例えば、共伝搬している）ことを伴い得る。
【0033】
図３は、本開示の態様に従って、シングルチャネル用の展開ＡＯＭ構成の一例を表すダイアグラム３００を示す。ダイアグラム３００の構成は、共通ダブルパスＡＯＭ構成の「展開」されたバージョンに基づく。展開構成では、レンズまたは光学素子が、第一のＡＯＭからの発散ビームを第二のＡＯＭに再集束する。ダイアグラム３００は、ＡＯＭのそれぞれに適用される２つのトーンを示しているが、２つを超えるトーンまたは周波数が使用されている場合にも同様のアプローチに従うことができる。
【0034】
折畳み構成では、単一のＡＯＭが使用され、２回目のパスで回折レーザビームを同じＡＯＭに戻って通すために、光学系が必要となる。２回目のパスをした回折レーザビームを当初のレーザビームから分離するためには、入射レーザビームは、レーザビームを最適な回折経路からずらすことによって、レーザビームを空間的に分離すること、あるいは１回目のパスをした回折レーザビームの偏光を回転させ、次いで、偏光選択を用いて、レーザビームを分離することを必要とする。どちらの方法でも、第一の場合には空間的分離が不完全であるために、また第二の場合には偏光制御が不完全であるために、名目上、回折のみのレーザビームに漏出する残留非回折光が存在する可能性がある。このことは、名目上、回折レーザビームへの非周波数シフト漏れに繋がる。また、ＡＯＭがオフになっているとき、光がダブルパスＡＯＭ構成から出るように導く。したがって、展開ＡＯＭ構成を使用する利点の１つは、光漏洩によって生じるクロストークを回避し、オンオフ分離を向上させることである。また、いずれの方法でも、２回目のパスは、最適ではない。というのも、第一の方法ではレーザビームが不整合になるためであり、また第二の方法ではＡＯＭが偏光に依存するからである。したがって、展開ＡＯＭ構成の別のメリットまたは利点は、単一のＡＯＭによるアプローチと比較して、電力効率が向上することである。すなわち、２つのＡＯＭを有することによって、操作の全体的な電力効率を向上させる最適化を実行することが可能である。
【0035】
図３の例では、トーンｆ１およびｆ２に基づいて、２つのＲＦ信号（例えば、変調信号）を生成し、ＡＯＭ１ ３２０ａに供給する一方で、トーンｆ１’およびｆ２’に基づいて、２つの別のＲＦ信号を生成し、ＡＯＭ２ ３２０ｂに供給する。
【0036】
ＡＯＭ ３２０ａは、ブラッグ角（θＢ）で入射レーザビーム３２５を受け取るが、その一部は回折されない（例えば、非回折レーザビーム３３０）。一方、ＡＯＭ３２０ａで回折される入射レーザビーム３２５の一部は、２つの変調レーザビーム（例えば、トーンｆ１について回折レーザビーム３３５ａと、トーンｆ２について回折レーザビーム３３５ｂ）を生成する。この２つの回折レーザビームは、異なる角度で回折し、共伝搬しない。したがって、２つの回折レーザビームは、光学素子３４０によって、ＡＯＭ２ ３２０ｂに集束させ（例えば、ｆ１について集束レーザビーム３４５ａと、ｆ２について集束レーザビーム３４５ｂ）、ＡＯＭ２ ３０２ｂに対してレーザビームのブラッグ角を合わせる必要がある。
【0037】
ＡＯＭ２ ３２０ｂは、複数の出力経路を生成する。すなわち、ＡＯＭ２ ３２０ｂは、入射レーザビーム３４５ａおよび２４５ｂの非回折部分３５５ａおよび３５５ｂとともに、２つの入射レーザビーム（例えば、集束レーザビーム３４５ａおよび集束レーザビーム３４５ｂ）からの異なる伝搬方向に複数の回折レーザビームを生成する。例えば、トーンの組合せｆ２＋ｆ１’に基づいて回折レーザビーム３６０ａを生成し、トーンの組合せｆ１＋ｆ２’に基づいて回折レーザビーム３６０ｂを生成する。ここで、これらの回折レーザビームのそれぞれは、異なる角度で回折する。また、ＡＯＭ２３２０ｂによって生成されるのは、トーンの組合せｆ１＋ｆ１’に基づく回折レーザビーム３６５ａと、トーンの組合せｆ２＋ｆ２’に基づく回折レーザビーム３６５ｂ（図３において「３６５ａ、ｂ」として示される）であり、これらのレーザビームは、他の回折レーザビームとは異なる角度で回折し、そのいずれもが、同じまたは実質的に同じ伝搬方向を有する（例えば、それらは重なり合うレーザビームである）。本開示では、実質的に、ほぼ、約、および同じという用語は、互いに０．１％、０．２５％、０．５％、１％、２％、３％、５％、もしくは１０％以内、または互いに１～１０％の範囲内にある２つ以上の数または２つ以上のパラメータの値を指すことができる。回折レーザビーム３６５ａおよび３６５ｂを、ＡＯＭ２ ３２０ｂによって生成された他の回折レーザビームから隔離または分離して、回折レーザビーム３６５ａおよび３６５ｂを使用して、量子ビット３７０（例えば、イオントラップ内の原子またはイオン）の量子情報を操作することが可能である。すなわち、回折レーザビーム３６５ａおよび３６５ｂは、量子ゲート操作を可能にするか、または実施するために使用される共伝搬または実質的に共伝搬ゲートビームである。
【0038】
この例では、ｆ１’＝ｆ１およびｆ２’＝ｆ２である場合、ＡＯＭ２ ３２０ｂからの出力経路のうちの１つは、周波数シフト２＊ｆ１および２＊ｆ２を伴う２つの重なり合うビーム（例えば、回折レーザビーム３６５ａおよび３６５ｂ）を有する。「交差項」ｆ２＋ｆ１によって生成された回折レーザビームは、異なる角度で回折し、ｆ１＋ｆ１’＝２＊ｆ１およびｆ２＋ｆ２’＝２＊ｆ２レーザビーム（３６５ａおよび３６５ｂ）は、空間フィルタリングによって分離することができる。ｆ１’およびｆ１（ｆ２’およびｆ２）がわずかに異なるが、│ｆ１’－ｆ１│（│ｆ２’－ｆ２│）が│ｆ１－ｆ２│の一部である場合、ｆ１’＋ｆ１およびｆ２’＋ｆ２レーザビームは、ほぼ重なり合うだけであるが、交差項（回折レーザビーム３６０ａおよび３６０ｂ）から十分に角度的に分離されたままであり、ｆ１’＋ｆ１およびｆ２’＋ｆ２レーザビーム（３６５ａおよび３６５ｂ）を分離することができる。
【0039】
一例では、ｆ１およびｆ１’（ｆ２およびｆ２’）の値は約１８５ＭＨｚ（２１５ＭＨｚ）であり、差│ｆ１’－ｆ１│および│ｆ２’－ｆ２│は約１ＭＨｚである。
【0040】
図３に示す例からの変形例では、展開構成における両方のＡＯＭがマルチチャネルＡＯＭであり、各チャネルがｆ１、ｆ２、ｆ１’、およびｆ２’の独立したセットを受信する実装を含む。この構成によって、各チャネルが、条件ｆ１＝ｆ１’およびｆ２＝ｆ２’を有することが可能になり、こうして、各チャネルからの２つ（またはそれ以上）のトーンについて出力ビームが完全に重なり合う。
【0041】
ｆ１およびｆ２がそれぞれｆ１’およびｆ２’と同じでない場合、ＡＯＭ１ ３２０ａまたはＡＯＭ２ ３２０ｂがマルチチャネルＡＯＭであり、他方が大アパーチャＡＯＭなどのシングルチャネルＡＯＭであり得る状況を有することが可能であり得る。例えば、一つの実装では、展開構成の第一のＡＯＭを大アパーチャＡＯＭとし、第二のＡＯＭをマルチチャネルＡＯＭとすることを含むことができる。この実装では、ｆ１およびｆ２は、第一のＡＯＭの全ての出力チャネル間で共通であり、ｆ１’およびｆ２’は、第二のＡＯＭの各チャネルで個別である。同様の実装では、展開構成の第一のＡＯＭをマルチチャネルＡＯＭとし、第二のＡＯＭを大アパーチャＡＯＭとすることができる。この実装では、ｆ１およびｆ２は、第一のＡＯＭの各出力チャネルで個別であり、ｆ１’およびｆ２’は、第二のＡＯＭ内の全てのチャネル間で共通である。これらの実装の例は図４～図６に関連して、以下に提供される。
【0042】
図４は、本開示の態様に従って、マルチチャネルＡＯＭを使用する展開ＡＯＭ構成の例を表すダイアグラム４００を示す。この例では、入射レーザビーム４０５が回折光学素子（ＤＯＥ）４１０に提供されて、レーザビーム４１５のファンを生成する。レーザビーム４１５は、光学素子４１７によってコリメートされ、コリメートされたレーザビーム４２５は、展開構成の第一のＡＯＭであるＡＯＭ１ ４２０ａに提供される。ＡＯＭ１ ４２０ａは、Ｎ個のチャネル（例えば、Ｎ＞３０）を有するマルチチャネルＡＯＭである。ここで、Ｎは、操作または制御されるイオンセット４７０中のイオンの数と同じ整数か、またはおそらくそれよりも大きい整数である。
【0043】
ＡＯＭ１ ４２０ａの各チャネルは、印加されるそれぞれのＲＦ信号のペア（例えば、チャネル上に付与され、そのチャネルに対する個々のｆ１トーンおよびｆ２トーンに基づくＲＦ信号のペア）を有することができる。ＡＯＭ１ ４２０ａの各チャネルは、光学素子４４０によって集束されるｆ１、ｆ２に基づいて回折レーザビーム４３５のペアを生成して、集束レーザビーム４４５を生成することができ、この集束レーザビームは、展開構成の第二のＡＯＭ、ＡＯＭ２ ４２０ｂに供給される。
【0044】
次いで、ＡＯＭ２ ４２０ｂは、チャネルごとに、複数の出力経路を生成することができ、そのうちの１つは、イオンセット４７０内のそれぞれのイオンで共伝搬するか、または実質的に共伝搬する回折レーザビーム４６５のペアを含む。これらのレーザビームは、ＡＯＭ２ ４２０ｂによっても生成される他のレーザビームから空間的に分離することができる。ＡＯＭ１ ４２０ａと同様に、ＡＯＭ２ ４２０ｂの各チャネルは、印加されるそれぞれのＲＦ信号のペア（例えば、チャネル上に付与され、そのチャネルに対する個々のｆ１’およびｆ２’トーンに基づくＲＦ信号のペア）を有することができる。
【0045】
光学素子４１７および４４０は、それぞれ、単一の光学部品（例えば、レンズ）、または少なくとも１つの光学ステージを含み得る複数の光学部品（例えば、複数のレンズ）の組合せであり得る。
【0046】
ダイアグラム４００は、説明するために提供され、限定するためではない。ＡＯＭ１ ４２０ａおよびＡＯＭ２ ４２０ｂによって生成される回折レーザビームは、一般に、チャネルに垂直な方向に、また、この例では、図４の平面外に生成されることが理解されるべきである。したがって、ダイアグラム４００は、三次元展開ＡＯＭ構成の二次元における概念的または概略的表現を捉えることを意図している。
【0047】
図５Ａおよび図５Ｂは、それぞれ、本開示の態様に従って、一方のＡＯＭがマルチチャネルＡＯＭであり、他方のＡＯＭが大アパーチャＡＯＭである展開ＡＯＭ構成の例を表すダイアグラム５００ａおよびダイアグラム５００ｂを示す。図５Ａのダイアグラム５００ａは、図４のダイアグラム４００と実質的に類似しており、一つの相違点は、展開構成における第一のＡＯＭであるＡＯＭ１ ５２０ａが、シングルチャネルで、大アパーチャＡＯＭであることである。この例では、入射レーザビーム５０５、ＤＯＥ５１０、レーザビームのファン５１５、光学素子５１７、コリメートされたレーザビーム５２５、大アパーチャＡＯＭ１ ５２０ａ、回折レーザビーム５３５、光学素子５４０、集束レーザビーム５４５、マルチチャネルＡＯＭ２ ５２０ｂ、およびイオンセット５７０内のそれぞれのイオンで共伝搬または実質的に共伝搬する回折レーザビーム４６５のペアがある。
【0048】
大アパーチャＡＯＭ１ ５２０ａは、全ての入射レーザビームの共通トーンｆ１およびｆ２に基づいて動作し、マルチチャネルＡＯＭ２ ５２０ｂは、各チャネルの個々のｆ１’およびｆ２’トーンに基づいて動作する。
【0049】
図５Ｂのダイアグラム５００ｂは、図５Ａにおけるダイアグラム５００と実質的に類似しており、一つの相違点は、展開構成における第二のＡＯＭであるＡＯＭ２ ５２０ｂがシングルチャネルで、大アパーチャＡＯＭであり、その一方で、第一のＡＯＭであるＡＯＭ５２０ａがマルチチャネルＡＯＭであることである。この例では、マルチチャネルＡＯＭ１ ５２０ａは、各チャネルの個々のｆ１およびｆ２トーンに基づいて動作し、大アパーチャＡＯＭ２ ５２０ｂは、全ての入射レーザビームの共通トーンｆ１’およびｆ２’に基づいて動作する。
【0050】
上記のダイアグラム４００と同様に、ダイアグラム５００ａおよびダイアグラム５００ｂは、説明するために提供され、限定するためではない。ＡＯＭ１ ５２０ａおよびＡＯＭ２ ５２０ｂによって生成される回折レーザビームは、一般に、チャネルに垂直な方向に、また、この例では、図５Ａおよび図５Ｂの平面外に生成されることが理解されるべきである。したがって、ダイアグラム５００ａおよびダイアグラム５００ｂは、三次元展開ＡＯＭ構成の二次元における概念的または概略的表現を捉えることを意図している。
【0051】
図６は、本開示の態様に従って、展開ＡＯＭ構成の別の例を表すダイアグラム６００を示す。この例では、トーンｆ１およびｆ２に基づいて２つのＲＦ信号（例えば、変調信号）を生成し、ＡＯＭ１ ６２０ａに供給する一方、トーンｆ３に基づいて単一のＲＦ信号を生成し、ＡＯＭ２ ６２０ｂに供給する。ＡＯＭ６２０ａは、ブラッグ角（θＢ）で入射レーザビーム６２５を受け取るが、その一部は回折されない（例えば、非回折レーザビーム６３０）。一方、ＡＯＭ６２０ａで回折される入射レーザビーム６２５の一部は、２つの変調レーザビーム（例えば、トーンｆ１について回折レーザビーム６３５ａ、トーンｆ２について回折レーザビーム６３５ｂ）を生成する。この２つの回折レーザビームは、異なる角度で回折し、共伝搬しない。
【0052】
２つの回折レーザビーム（６３５ａ、６３５ｂ）は、光学素子６４０によって、対向するブラッグ角経路（θＢ）上に再集束され、ＡＯＭ２ ６２０ｂに入る。上述のように、ＡＯＭ２ ６２０ｂは、印加される単一トーンｆ３を有し、複数の回折レーザビームを生成する。ｆ１ビーム（回折レーザビーム６６５ａ）は、マイナス一次に回折され、正味のｆ１－ｆ３シフトを取得し、ｆ２ビーム（回折レーザビーム６６５ｂ）は、プラス一次に回折され、正味のｆ２＋ｆ３シフトを取得する。この２つのレーザビームは、重なり合うレーザビームである。また、生成されるのは、トーンｆ１に基づく回折レーザビーム６５５ａと、トーンｆ２に基づく回折レーザビーム６５５ｂであり、両者は、重なり合うレーザビーム６６５ａおよび６６５ｂから空間的にフィルタリングすることができる。
【0053】
上述の構成のいくつかとは異なり、この構成は、周波数またはトーンｆ１およびｆ２について、物理的に同調されなければならない。同調値からのｆ１およびｆ２の偏差が小さい場合、重なり合う出力レーザビーム（例えば、ｆ１－ｆ３およびｆ２＋ｆ３）は、わずかに発散する。次に、トーンｆ３を調整して、発散を最小限に抑えることができる。所与の周波数ｄに対してｆ１およびｆ２がｆ１＋ｄおよびｆ２－ｄにシフトする特定の場合では、ＡＯＭ１ ６２０ａからの出力ビームは、ＡＯＭ２６２０ｂの軸の周りで対称的に収縮する（ｄ＞０に対して）こと、または拡大する（ｄ＜０に対して）ことになり、ｆ３は、出力ビームと完全に重なり合うように調整することができる。
【0054】
上述の例と同様に、図６に示す構成は、２つのマルチチャネルＡＯＭ、または１つのマルチチャネルＡＯＭおよび１つの大アパーチャＡＯＭを使用して実施することができる。
【0055】
考慮を必要とする別の問題は、偏光の操作または制御である。光の偏光を細かく迅速に制御することにより、量子操作の体系性を減らすことができる。このような制御の主な方法は、偏光ドリフトに悩まされる電気光学変調器（ＥＯＭ）である。このドリフトを低減または排除するであろうＥＯＭの代替方法は、高品質な量子操作のための強力なツールを提供するであろう。以下に、ＥＯＭの代わりにＡＯＭの偏光依存性を用いてレーザビーム偏光を制御する様々な態様について述べる。
【0056】
図７Ａおよび図７Ｂは、それぞれ、本開示の態様に従って、ＡＯＭを使用する偏光制御の例を表すダイアグラム７００ａおよびダイアグラム７００ｂを示す。量子ビットの量子制御には、小さな偏光調整（例えば、９０°未満のわずかな回転）が時に必要である。このような小さな調整を実行する能力がなければ、量子ビット制御の効率が低下する可能性がある。小さな偏光回転は、電気光学変調器（ＥＯＭ）で実行され得るが、これらはドリフトする傾向があり、量子処理に使用されるような紫外線（ＵＶ）レーザでは、順当に機能しない。電気光学効果に基づくポッケルスセルは、量子処理で必要とされる小さな偏光調整のタイプでは、順当に機能しない。図７Ａおよび図７Ｂは、偏波制御のためのＥＯＭの代わりに、ＡＯＭの使用を説明している。
【0057】
図７Ａでは、入射光（例えば、入射レーザビーム７２５）の偏光は、線形であり、回折面に対して、ある角度を有する。ＡＯＭ７２０がＯＦＦ（オフ）であると、出射非回折レーザビーム７３０は、入射レーザビーム７２５と同じ偏光を有する（端部にドットまたは円を有する線によって示されるように）。図７Ｂでは、ＡＯＭ７２０がＯＮ（オン）（例えば、ＡＯＭにＲＦ信号が印加された状態）で、入射光の一部が入射レーザビーム７２５から回折されて回折レーザビーム７３５を生成する。ＡＯＭ材料に応じて、ＡＯＭは一方の投影偏光を他方よりも多く回折する。これは、投影の一方を優先的に抑制し、非回折レーザビーム７３０の偏光を回転させる（端部にドットまたは円がある線で示されているように）。回転量は、ＲＦ信号の入力電力を変化させることによって制御することができる。ＡＯＭベースの偏光制御は、レーザビームがイオンまたは原子に照射されて、イオンまたは原子に格納された量子情報を操作する前に、レーザビームに適用することができる。すなわち、本明細書に記載される偏光制御技法は、周波数、位相、振幅、および偏光の制御を提供するために、上述のＡＯＭ構成で適用されてもよい。例えば、偏光制御技法は、トラップ内のイオンまたは原子に入射されるべき共伝搬レーザビームに適用することができる。
【0058】
図７Ｃは、図７Ａおよび図７ＢのＡＯＭ７２０が第一のＡＯＭ７２０であり、非回折レーザビームの全体的な電力を制御するための第二または上流のＡＯＭ７２０ａもあるダイアグラム７００を示す。一例では、上流ＡＯＭ７２０ａは、ＡＯＭ７２０と同様の方法で動作することができる。
【0059】
量子処理のためのＡＯＭ構成について上述した様々な態様は、図２～図７Ｃに関連して記載した関連する例を用いて、異なる装置またはシステムによる方法またはプロセスとして実施することができる。そのような方法、プロセス、装置、またはシステムのさらなる詳細は、以下でさらに説明される。
【0060】
ここで、図８を参照すると、本開示の態様による例示的なコンピュータ装置８００が示されている。コンピュータ装置８００は、例えば、単一の計算装置、複数の計算装置または分散計算システムを表し得る。コンピュータ装置８００は、量子コンピュータ（例えば、量子情報処理（ＱＩＰ）システム）、古典的コンピュータ、または量子および古典的計算機能の組合せとして構成されてもよい。例えば、コンピュータ装置８００は、トラップされたイオン技術に基づく量子アルゴリズムを使用して情報を処理するために使用されてもよく、したがって、異なるタイプのＡＯＭ構成が量子処理のために使用され得る記載された技法のいくつかを実装してもよい。本明細書で説明される技法を実装することができるＱＩＰシステムとしてのコンピュータ装置８００の一般的な例が、図１２Ａおよび図１２Ｂに表す例に示される。
【0061】
一例では、コンピュータ装置８００は、本明細書で説明する特徴のうちの１つまたは複数に関連する処理機能を実行するためのプロセッサ８１０を含むことができる。例えば、プロセッサ８１０は、上述のＡＯＭ構成または実装のうちの１つまたは複数を使用することによって、イオンまたは原子に格納された量子情報を操作する態様を制御、調整、および／または実行するように構成され得る。プロセッサ８１０は、単一または複数のセットのプロセッサまたはマルチコアプロセッサを含んでもよい。さらに、プロセッサ８１０は、統合処理システムおよび／または分散処理システムとして実装されてもよい。プロセッサ８１０は、中央処理ユニット（ＣＰＵ）、量子処理ユニット（ＱＰＵ）、グラフィックス処理ユニット（ＧＰＵ）、またはこれらのタイプのプロセッサの組合せを含むことができる。一態様では、プロセッサ８１０は、コンピュータ装置８００の一般的なプロセッサを参照することができ、これは、さらに特定の機能を実行するために、追加のプロセッサ８１０を含むこともできる。プロセッサ８１０は、量子操作、アルゴリズム、またはシミュレーションを実行するために、１つまたは複数のトラップされたイオンを使用することを含むことができる。
【0062】
一例では、コンピュータ装置８００は、本明細書に記載する機能を実行するためにプロセッサ８１０によって実行可能な命令を格納するメモリ８２０を含んでもよい。一実装では、例えば、メモリ８２０は、本明細書に記載する１つまたは複数の機能または操作を実行するためのコードまたは命令を格納するコンピュータ可読格納媒体に対応することができる。一例では、メモリ８２０は、図９、図１０、および図１１に関連して以下で説明する方法９００、１０００、および１１００の態様を実行するための命令を含み得る。プロセッサ８１０と同様に、コンピュータ装置８００の一般的なメモリ８２０を参照することができ、これは、メモリ８２０は、より具体的な機能のために命令および／またはデータを格納するために、追加のメモリ８２０を含むこともできる。
【0063】
さらに、コンピュータ装置８００は、本明細書で説明するように、ハードウェア、ソフトウェア、およびサービスを利用して、１人または複数の当事者との通信を確立し、維持することを提供する通信部品８３０を含むことができる。通信部品８３０は、コンピュータ装置８００上の部品間でも、コンピュータ装置８００と、外部装置、例えば、通信網を介して配置された装置および／またはコンピュータ装置８００にシリアルまたはローカルに接続された装置との間でも通信を実行することができる。例えば、通信部品８３０は、１つまたは複数のバスを含むことができ、さらに、外部装置とインタフェースするために操作可能な送信機および受信機にそれぞれ関連する送信チェーン部品および受信チェーン部品を含むことができる。
【0064】
さらに、コンピュータ装置８００は、データストア８４０を含むことができ、データストア８４０は、本明細書で説明する実装に関連して使用される情報、データベース、およびプログラムの大容量格納を提供するハードウェアおよび／またはソフトウェアの任意の適切な組合せとすることができる。例えば、データストア８４０は、オペレーティングシステム８６０（例えば、従来ＯＳ、または量子ＯＳ）のためのデータリポジトリであってもよい。一実施形態では、データストア８４０は、メモリ８２０を含むことができる。
【0065】
コンピュータ装置８００は、また、コンピュータ装置８００のユーザから入力を受信するように操作可能であり、さらにユーザに提示するための出力を生成するように、または異なるシステムに（直接的または間接的に）提供するように操作可能なユーザインタフェース部品８５０を含むことができる。ユーザインタフェース部品８５０は、１つまたは複数の入力装置を含むことができる。入力装置には、キーボード、ナンバーパッド、マウス、タッチ感応ディスプレイ、デジタイザ、ナビゲーションキー、ファンクションキー、マイクロフォン、音声認識部品、ユーザからの入力を受信することができる任意の他の機構、またはそれらの任意の組合せが含まれるが、これらに限定されない。さらに、ユーザインタフェース部品８５０は、１つまたは出力装置を含むことができる。出力装置には、ディスプレイ、スピーカ、触覚フィードバック機構、プリンタ、ユーザに出力を提示することができる任意の他の機構、またはそれらの任意の組合せが含まれるが、これらに限定されない。
【0066】
一実装では、ユーザインタフェース部品８５０は、オペレーティングシステム８６０の操作に対応するメッセージを送信および／または受信することができる。さらに、プロセッサ８１０は、オペレーティングシステム８６０および／またはアプリケーションまたはプログラムを実行することができ、メモリ８２０またはデータストア８４０は、それらを格納することができる。
【0067】
コンピュータ装置８００がクラウドベースのインフラ解決策の一部として実装される場合、ユーザインタフェース部品８５０を使用して、クラウドベースのインフラ解決策のユーザがコンピュータ装置８００とリモートで対話できるようにすることが可能になる。
【0068】
図９は、本開示の態様による量子処理におけるレーザビーム伝搬を制御するための方法９００の一例を示すフロー図である。一態様では、方法９００は、上述のコンピュータ装置８００のようなコンピュータシステム（例えば、コンピュータシステムの動作の一部として）で実行されてもよく、ここで、例えば、方法９００の機能を実行または制御するために、プロセッサ８１０、メモリ８２０、データストア８４０、および／またはオペレーティングシステム８６０が使用されてもよい。同様に、方法９００の機能は、ＱＩＰシステム１２００およびその部品（例えば、光学コントローラ１２２０およびそのサブ部品）などのＱＩＰシステムの１つまたは複数の部品によって実行または制御されてもよく、これについては、図１２Ａおよび図１２Ｂに関連して以下でより詳細に説明する。方法９００の態様は、少なくとも図３～図５ＢのＡＯＭ構成または実装に関連して説明され得る。
【0069】
９１０において、方法９００は、第一のＡＯＭによって、入射レーザビームから第一のＲＦトーンに基づく第一の回折レーザビームと、第二のＲＦトーンに基づく第二の回折レーザビームとを生成するステップを含み、第一の回折レーザビームと第二の回折レーザビームとは、異なる角度で回折される。
【0070】
９２０において、方法９００は、光学構成を介して、第一の回折レーザビームおよび第二の回折レーザビームを第二のＡＯＭに集束させるステップを含む。
【0071】
９３０において、方法９００は、第二のＡＯＭによって、第一の回折レーザビームおよび第二の回折レーザビームから、第一のＲＦトーンおよび第三のＲＦトーンに基づく第三の回折レーザビームと、第二のＲＦトーンおよび第四のＲＦトーンに基づく第四の回折レーザビームとを少なくとも生成するステップを含み、第三の回折レーザビームと第四の回折レーザビームとは、トラップ内のイオン鎖のそれぞれのイオンに入射するときに、実質的に平行になるように回折される。
【0072】
９４０において、方法９００は、イオン内の量子情報を制御して、第三の回折レーザビームおよび第四の回折レーザビームに基づいて量子処理を実行するステップを含む。
【0073】
方法９００の態様において、第一のＲＦトーンは、第三のＲＦトーンと同じであり、第二のＲＦトーンは、第四のＲＦトーンと同じであり、第三の回折レーザビームと第四の回折レーザビームとは、それぞれのイオンにおいて共伝搬する。
【0074】
方法９００の態様において、第一のＲＦトーンは、第三のＲＦトーンとは異なり、第二のＲＦトーンは、第四のＲＦトーンとは異なり、第三の回折レーザビームおよび第四の回折レーザビームは、それぞれのイオンで実質的に共伝搬する。
【0075】
本方法９００の態様において、本方法は、第一のＲＦトーンに基づいて第一のＲＦ制御信号を生成するステップと、第二のＲＦトーンに基づく第二のＲＦ制御信号を生成するステップと、第三のＲＦトーンに基づく第三のＲＦ制御信号を生成するステップと、第四のＲＦトーンに基づく第四のＲＦ制御信号を生成するステップと、第一のＲＦ制御信号および第二のＲＦ制御信号を第一のＡＯＭに供給して、第一の回折レーザビームおよび第二の回折レーザビームを生成するステップと、第三のＲＦ制御信号および第四のＲＦ制御信号を第二のＡＯＭに供給して、第一の回折レーザビームおよび第二の回折レーザビームを生成するステップと、を含む。
【0076】
本方法９００の態様において、第三の回折レーザビームおよび第四の回折レーザビームを少なくとも生成するステップは、第一のＲＦトーンおよび第四のＲＦトーンに基づく第五の回折レーザビームと、第二のＲＦトーンおよび第三のＲＦトーンに基づく第六の回折レーザビームとを生成するステップを含み、この方法は、空間フィルタリングによって、第三の回折レーザビームおよび第四の回折レーザビームを第五の回折レーザビームおよび第六の回折レーザビームから絶縁するステップをさらに含む。
【0077】
方法９００の態様において、第一のＡＯＭおよび第二のＡＯＭのそれぞれは、マルチチャネルＡＯＭであり、第一のＡＯＭの各チャネルは、それぞれの第一のＲＦトーンおよび第二のＲＦトーンを有し、第二のＡＯＭの各チャネルは、それぞれの第三のＲＦトーンおよび第四のＲＦトーンを有する。
【0078】
方法９００の態様において、第一のＡＯＭはマルチチャネルＡＯＭであり、第二のＡＯＭはシングルチャネルＡＯＭであり、または第一のＡＯＭはシングルチャネルＡＯＭであり、第二のＡＯＭはマルチチャネルＡＯＭである。
【0079】
方法９００の態様において、第一のＡＯＭは、大アパーチャＡＯＭであり、第二のＡＯＭは、マルチチャネルＡＯＭであり、第一のＲＦトーンおよび第二のＲＦトーンは、第一のＡＯＭの全てのチャネルに共通であり、第三のＲＦトーンおよび第四のＲＦトーンは、第二のＡＯＭのチャネルのそれぞれに個別に設定される。
【0080】
方法９００の態様において、第一のＡＯＭは、マルチチャネルＡＯＭであり、第二のＡＯＭは、大アパーチャＡＯＭであり、第一のＲＦトーンおよび第二のＲＦトーンは、第一のＡＯＭのチャネルのそれぞれに対して個別に設定され、第三のＲＦトーンおよび第四のＲＦトーンは、第二のＡＯＭの全てのチャネルに対して共通である。
【0081】
図１０は、本開示の態様による量子処理におけるレーザビーム伝搬を制御するための方法１０００の一例を示すフロー図である。一態様では、方法１０００は、例えば、プロセッサ８１０、メモリ８２０、データストア８４０、および／またはオペレーティングシステム８６０が、方法１０００の機能を実行または制御するために使用され得る、上述のコンピュータ装置８００などのコンピュータシステムにおいて（例えば、コンピュータシステムの動作の一部として）実行され得る。同様に、方法１０００の機能は、ＱＩＰシステム１２００およびその部品（例えば、光学コントローラ１２２０およびそのサブ部品）のようなＱＩＰシステムの１つまたは複数の部品によって実行または制御されてもよく、これについては、図１２Ａおよび図１２Ｂに関連して以下でより詳細に説明する。方法１０００の態様は、少なくとも図６のＡＯＭ構成または実装に関連して説明することができる。
【0082】
１０１０において、方法１０００は、第一のＡＯＭによって、入射レーザビームから、第一のＲＦトーンに基づく第一の回折レーザビームと、第二のＲＦトーンに基づく第二の回折レーザビームとを生成するステップを含み、第一の回折レーザビームと第二の回折レーザビームとは異なる角度で回折される。
【0083】
１０２０において、方法１０００は、光学部品を介して、第一の回折レーザビームおよび第二の回折レーザビームを、対向するブラッグ角経路に集束させて、第二のＡＯＭに入れるステップを含む。
【0084】
１０３０において、方法１０００は、第二のＡＯＭによって、第一の回折レーザビームおよび第二の回折レーザビームから、第一のＲＦトーンおよび第三のＲＦトーンに基づく第三の回折レーザビームと、第二のＲＦトーンおよび第三のＲＦトーンに基づく第四の回折レーザビームとを少なくとも生成するステップを含み、第三の回折レーザビームと第四の回折レーザビームとは、トラップ内のイオン鎖のそれぞれのイオンに入射するときに、実質的に平行になるように回折される。
【0085】
１０４０において、方法１０００は、イオン内の量子情報を制御して、第三の回折レーザビームおよび第四の回折レーザビームに基づいて量子処理を実行するステップを含む。
【0086】
方法１０００の態様において、第一のＡＯＭおよび第二のＡＯＭのそれぞれは、マルチチャネルＡＯＭであり、第一のＡＯＭの各チャネルは、それぞれの第一のＲＦトーンおよび第二のＲＦトーンを有し、第二のＡＯＭの各チャネルは、それぞれの第三のＲＦトーンを有する。
【0087】
方法１０００の態様において、第一のＡＯＭはマルチチャネルＡＯＭであり、第二のＡＯＭはシングルチャネルＡＯＭであり、または第一のＡＯＭはシングルチャネルＡＯＭであり、第二のＡＯＭはマルチチャネルＡＯＭである。
【0088】
方法１０００の態様において、第一のＡＯＭは、大アパーチャＡＯＭであり、第二のＡＯＭは、マルチチャネルＡＯＭであり、第一のＲＦトーンおよび第二のＲＦトーンは、第一のＡＯＭの全てのチャネルに共通であり、第三のＲＦトーンは、第二のＡＯＭのチャネルのそれぞれに個別に設定される。
【0089】
方法１０００の態様において、第一のＡＯＭはマルチチャネルＡＯＭであり、第二のＡＯＭは大アパーチャＡＯＭであり、第一のＲＦトーンおよび第二のＲＦトーンは、第一のＡＯＭのチャネルのそれぞれに対して個別に設定され、第三のＲＦトーンは、第二のＡＯＭの全てのチャネルに共通である。
【0090】
図１１は、本開示の態様による量子処理における偏光制御のための方法１１００の一例を示すフロー図である。一態様では、方法１１００は、例えば、プロセッサ８１０、メモリ８２０、データストア８４０、および／またはオペレーティングシステム８６０が、方法１１００の機能を実行または制御するために使用され得る、上述のコンピュータ装置８００などのコンピュータシステムにおいて（例えば、コンピュータシステムの運用の一部として）実行され得る。同様に、方法１１００の機能は、図１２Ａおよび１２Ｂに関連して以下でより詳細に説明されるＱＩＰシステム１２００およびそのコンポーネント（たとえば、光学コントローラ１２２０およびそのサブコンポーネント）などのＱＩＰシステムの１つまたは複数のコンポーネントによって実行または制御されてもよい。方法１１００の態様は、少なくとも図７Ａおよび図７ＢにおけるＡＯＭ構成または実装に関連して説明され得る。
【0091】
１１１０において、方法１１００は、ＡＯＭに入射レーザビームを提供するステップを含む。
【0092】
１１２０において、方法１１００は、ＡＯＭによって入射レーザビームから、ＡＯＭに印加された制御ＲＦ信号に基づいて、非回折レーザビームおよび回折レーザビームを生成するステップを含み、非回折レーザビームの偏光が入射レーザビームの偏光に対して回転される。
【0093】
１１３０において、方法１１００は、非回折レーザビームをトラップ内のイオン鎖のイオンに照射して、イオン内の量子情報を制御することによって、量子処理を実行するステップを含む。
【0094】
方法１１００の別の態様では、方法１１００は、ＡＯＭから上流に第二のＡＯＭを提供することによって、非回折レーザビームの全体的な電力を制御するステップを含むことができる。例えば、図７Ｃのダイアグラム７００は、図７Ａおよび図７ＢのＡＯＭ７２０が第一のＡＯＭ７２０であり、非回折レーザビームの全体的な電力を制御するための第二または上流のＡＯＭ７２０ａもあることを示す。
【0095】
方法１１００の別の態様では、回折レーザビームは、一次回折レーザビームであり、方法１１００は、ＡＯＭから上流に第二のＡＯＭを設け、一次回折レーザビームを第二のＡＯＭに照射することによって、非回折レーザビームの全体的な電力を制御するステップをさらに含む。
【0096】
方法１１００のさらに別の態様では、方法１１００は、ＡＯＭから上流に第二のＡＯＭを設け、偏光制御が存在しても第二のＡＯＭの全体的な電力を安定に維持するように、第二のＡＯＭへの高周波（ＲＦ）電力を制御することによって、非回折レーザビームの全体的な電力を制御するステップを含むことができる。
【0097】
図１２Ａは、本開示の態様に従うＱＩＰシステム１２００の一例を示すブロック図である。ＱＩＰシステム１２００は、量子計算システム、コンピュータ装置、トラップイオン量子コンピュータなどと呼ばれることもある。一態様では、ＱＩＰシステム１２００は、図８のコンピュータ装置８００の量子コンピュータ実装の部分に対応し得る。
【0098】
ＱＩＰシステム１２００は、原子種（例えば、中性原子のフラックス）を、光学コントローラ１２２０（例えば、図１２Ｂを参照）によって一旦イオン化される（例えば、光イオン化される）と、原子種をトラップするイオントラップ１２７０を有するチャンバ１２５０に提供するソース１２６０を含むことができる。光学コントローラ１２２０内の光源１２３０は、原子種のイオン化、原子イオンの制御（例えば、位相制御）、光学コントローラ１２２０内の撮像システム１２４０内で動作する画像処理アルゴリズムによって監視し、追跡することができる原子イオンの蛍光のために、および／または本開示で説明するＡＯＭ構成および操作のいくつかを実行するために使用することができる１つまたは複数のレーザ源を含むことができる。一態様では、光源１２３０は、光学コントローラ１２２０とは別個に実装され得る。
【0099】
撮像システム１２４０は、イオントラップに提供されている間、またはイオントラップ１２７０に提供された後に、原子イオンを監視するための高分解能撮像装置（例えば、ＣＣＤカメラ）を含んでもよい。一態様では、撮像システム１２４０は、光学コントローラ１２２０とは別個に実装することができるが、画像処理アルゴリズムを使用して原子イオンを検出し、識別し、ラベル付けするための蛍光の使用は、光学コントローラ１２２０と調整する必要がある場合もある。別の態様では、撮像システム１２４０は、イオンによって散乱される光子を誘導するために使用され得る撮像光学系を含み得、光子は、測定時に、イオンの位置および／または量子ビットの量子状態などの情報を得るために使用され得る。光子は、例えば、撮像装置および／または光電子増倍管などの単一の光子検出器を含む、異なるタイプの検出器に向けることができる。光子は、光ファイバおよび／または他のタイプの光導波路を使用して検出器に向けることができる。
【0100】
ＱＩＰシステム１２００は、また、ＱＩＰシステム１２００の他の部分（図示せず）とともに動作して、単一量子ビット演算または多重量子ビット演算および拡張量子計算を含む量子アルゴリズムまたは量子操作を実行することができるアルゴリズム部品１２１０も含むことができる。そのように、アルゴリズム部品１２１０は、量子アルゴリズムまたは量子操作の実装を可能にするために、ＱＩＰシステム１２００の様々な部品（例えば、光学コントローラ１２２０）に命令を提供してもよい。一例では、アルゴリズム部品１２１０は、本明細書で説明する様々なＡＯＭ構成に関連する動作の性能を実行し、調整し、および／または命令することができる。
【0101】
図１２Ｂは、光学コントローラ１２２０の少なくとも一部分を示す。この例では、光学コントローラ１２２０は、ビームコントローラ１２２１と、光源１２３０と、撮像システム１２４０と、ＡＯＭ構成１２３７とを含むことができ、ＡＯＭ構成は、ＡＯＭのうちの１つまたは複数と、ＤＯＥおよびレンズまたはレンズアセンブリを含む光学部品とを含むことができる。点線によって示すように、光源１２３０、撮像システム１２４０、およびＡＯＭ構成１２３７のうちの１つまたは複数は、光学コントローラ１２２０とは別個であるが、光学コントローラ１２２０と通信するように実装され得る。撮像システム１２４０は、ＣＣＤ１２４１（または同様の撮像装置またはカメラ）と、画像処理アルゴリズム部品１２４２とを含む。光源１２３０は、変調器１２２５と、複数のレーザ源１２３５ａ、…、１２３５ｂとを含み、レーザ源は、（例えば、量子ビット情報の操作のためのレーザビームまたはゲートビームを生成するために）上述の機能のうちの１つまたは複数のために使用され得る。一態様では、変調器１２２５は、本明細書で説明したＲＦ発生器（たとえば、図２のＲＦ発生器２１０ａおよび２１０ｂ）のうちの１つまたは複数を実装することができる。
【0102】
ビームコントローラ１２２１は、量子処理のためのＡＯＭ構成のために、本明細書に記載される種々の態様を実施するように構成される。ビームコントローラ１２２１は、異なるトーンに基づいてＲＦ制御信号の生成および印加に関連する様々な態様を制御するためのトーン生成部品１２２４を有するＡＯＭ構成制御部品１２２２と、適切なＲＦ制御信号を生成することによって偏光を細かに迅速に制御するためにＡＯＭを使用することに関連する様々な態様を制御するための偏光部品１２２６とを含んでもよい。一実装では、ＡＯＭ構成制御部品１２２２は、ビームコントローラ１２２１とは別個であるが、ビームコントローラ１２２１と通信するように実装され得る。
【0103】
光学コントローラ１２２０の様々な部品は、本開示で説明される各種機能、例えば、図９、図１０、および図１１の方法９００、方法１０００、および方法１１００を実行するために、個別に、または組み合わせて動作し得る。さらに、光学コントローラ１２２０の様々な部品は、本開示で説明される各種機能、例えば、図９、図１０、および図１１の方法９００、方法１０００、および方法１１００を実行するために、ＱＩＰシステム１２００の部品のうちの１つまたは複数とともに動作し得る。
【0104】
上記の例は、一般に、２つの周波数またはトーンを使用することに基づくが、これらの例で使用されるものと同様の技法は、３つ以上の周波数またはトーンが使用される場合にも適用されることを理解されたい。上述の技術は、ゲートビームだけでなく、例えば、回折レーザビームの分離が必要とされる場合のドップラー冷却および同様の動作に使用される連続波にも使用することができることも理解されたい。
【0105】
本開示は、図示された実施形態に従って提供されたが、当業者は、実施形態にバリエーションがあり得、それらのバリエーションも本開示の範囲内にあることを容易に認識するであろう。したがって、添付の特許請求の範囲から逸脱することなく、当業者は多くの修正を行うことができる。
【図1A】
【図1B】
【図1C】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5A】
【図5B】
【図6】
【図7A】
【図7B】
【図7C】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12A】
【図12B】