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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】2024-11-21
(45)【発行日】2024-11-29
(54)【発明の名称】多波長アレイトラップを備えた量子システム
(51)【国際特許分類】
G06N 10/40 20220101AFI20241122BHJP
B82Y 10/00 20110101ALI20241122BHJP
B82Y 40/00 20110101ALI20241122BHJP
G06E 3/00 20060101ALI20241122BHJP
G06F 7/38 20060101ALI20241122BHJP
【ＦＩ】
G06N10/40
B82Y10/00
B82Y40/00
G06E3/00
G06F7/38 510
【請求項の数】
7
(21)【出願番号】P 2023543087
(86)(22)【出願日】2021-07-29
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2024-03-19
(86)【国際出願番号】 US2021043790
(87)【国際公開番号】W WO2022177599
(87)【国際公開日】2022-08-25
【審査請求日】2023-07-18
(31)【優先権主張番号】63/150,947
(32)【優先日】2021-02-18
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】17/353,306
(32)【優先日】2021-06-21
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(73)【特許権者】
【識別番号】523000950
【氏名又は名称】コールドクアンタ・インコーポレーテッド
【氏名又は名称原語表記】ＣＯＬＤＱＵＡＮＴＡ，ＩＮＣ．
(74)【代理人】
【識別番号】110000028
【氏名又は名称】弁理士法人明成国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】ノエル・トマス・ウィリアム
(72)【発明者】
【氏名】サッフマン・マーク
【審査官】真木 健彦
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第２０２０／１４２７１８（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特表２０２０－５２８３５７（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１９／０１４５８９（ＷＯ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１６／００６４１０８（ＵＳ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０２０／２３６５７４（ＷＯ，Ａ１）
【文献】Loic Henriet ET AL，QUANTUM COMPUTING WITH NEUTRAL ATOMS，ARXIV，2020年09月18日，P.1-34
【文献】Xiaodong He ET AL，COMBINING RED AND BLUE-DETUNED OPTICAL POTENTIALS TO FORM A LAMB-DICKE TRAP FOR A SINGLE NEUTRAL ATOM，OPTICS EXPRESS，2012年01月31日，P.3711-3724
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０６Ｎ １０／４０
Ｂ８２Ｙ １０／００
Ｂ８２Ｙ ４０／００
Ｇ０６Ｅ ３／００
Ｇ０６Ｆ ７／３８
Ｈ０１Ｓ ５／３４３
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
方法であって、原子が、誘引光の強度極大に引き付けられるように、前記誘引光を用いてアレイトラップが形成されている時に、前記原子をアレイトラップにロードし、
前記原子が、反発光の強度極大から斥けられ、前記反発光の領域の間の前記アレイトラップの領域へ閉じ込められるように、前記反発光を用いて前記アレイトラップが形成されている時に、量子回路を実行すること、
を備え、
前記原子は、第１共振波長を有し、前記誘引光は、前記第１共振波長よりも長い第１トラップ波長を有し、前記反発光は、前記第１共振波長よりも短い第２トラップ波長を有する、方法。
【請求項2】
請求項１に記載の方法であって、さらに、誘引光および反発光を同時に用いて前記アレイトラップが形成されている時に、空きアレイサイトを検出することを備える、方法。
【請求項3】
量子粒子捕捉システムであって、真空セルと、
原子を捕捉するためのアレイトラップを形成するために用いられる複数のトラップ波長の電磁放射（ＥＭＲ）を提供するためのレーザシステムと、
を備え、
前記複数のトラップ波長は、第１トラップ波長および第２トラップ波長を含み、前記第２トラップ波長は、前記第１トラップ波長とは異なり、
前記原子は、第１共振波長および前記第１共振波長とは異なる第２共振波長を有し、
前記第１トラップ波長は、前記第１共振波長よりも長く前記第２共振波長よりも短い、システム。
【請求項4】
方法であって、第１トラップ波長の電磁放射（ＥＭＲ）を用いてアレイトラップが形成されている時に、複数の量子粒子を前記アレイトラップ内に捕捉し、
前記第１トラップ波長とは異なる第２トラップ波長のＥＭＲを用いて前記アレイトラップが形成されている時に、前記複数の量子粒子を前記アレイトラップ内に捕捉すること、
を備え、
前記複数の量子粒子は、第１共振波長を有し、前記第２トラップ波長は、前記第１トラップ波長と前記第１共振波長との間にある、方法。
【請求項5】
請求項４に記載の方法であって、前記アレイトラップは、前記第１トラップ波長のＥＭＲおよび前記第２トラップ波長のＥＭＲを同時に用いて形成されている、方法。
【請求項6】
請求項４に記載の方法であって、前記第１トラップ波長の電磁放射（ＥＭＲ）を用いて前記アレイトラップが形成されている時に、前記複数の量子粒子を前記アレイトラップ内に捕捉することは、前記第２トラップ波長の前記ＥＭＲが前記アレイトラップを形成するために用いられていない時に実行される、方法。
【請求項7】
請求項４に記載の方法であって、前記複数の量子粒子は、第１共振波長と、前記第１共振波長とは異なる第２共振波長とを有し、前記第１トラップ波長は、前記第１共振波長と前記第２共振波長との間にある、方法。
【発明の詳細な説明】
【他の出願への相互参照】
【0001】
本願は、２０２１年０２月１８日出願の「ＳＷＩＴＣＨＩＮＧ ＢＥＴＷＥＥＮ ＲＥＤ－ＤＥＴＵＮＥＤ ＡＮＤ ＢＬＵＥ－ＤＥＴＵＮＥＤ ＡＴＯＭ ＴＲＡＰＳ」と題する米国仮特許出願第６３／１５０，９４７号、および、２０２１年０６月２１日出願の「ＱＵＡＮＴＵＭ ＳＹＳＴＥＭ ＷＩＴＨ ＭＵＬＴＩＰＬＥ－ＷＡＶＥＬＥＮＧＴＨ ＡＲＲＡＹ ＴＲＡＰ」と題する米国特許出願第１７／３５３，３０６号に基づく優先権を主張し、これらの出願は共に、すべての目的のために参照により本明細書に組み込まれる。
【背景技術】
【0002】
古典的なデジタルコンピュータは情報のビットを扱うが、量子コンピュータは量子ビットを扱う。古典ビットおよび量子ビットは両方とも、２状態キャリアを用いて物理的に表されうる。２状態量子キャリアの例は、スピンアップ状態およびスピンダウン状態を取りうる電子と、基底状態または励起状態のいずれかを取りうる原子内の電子とを含む。古典２状態キャリアは、いつでも２つの状態の内の一方を取り、量子２状態キャリアは、同時に両方の状態のコヒーレント重ね合わせ状態を取りうる。
【0003】
量子コンピュータは、量子ビットを物理的に表すために用いられる基盤技術が様々であり、したがって、基盤技術に応じて、量子状態キャリアは、超電導回路、イオン、冷却中性原子、または、その他の実体でありうる。冷却中性原子またはイオンを用いる利点の１つは、同じ元素および原子量の原子が必然的に同一であることから、製造公差が問題にならないことである（量子ビットが超電導回路の状態で定義された場合には、問題になりうる）。冷却中性原子の別の利点は、例えばイオンと対照的に、相互作用なしに密にパッキングできることである。一方で、隣接する冷却原子は、リュードベリ状態（非常に高い励起状態）にすることによって相互作用させられうる。したがって、冷却原子は、比較的大きい量子ビット数の量子レジスタを容易に提供する。
【0004】
冷却中性原子レジスタにおいて、原子は、一次元、二次元、または、三次元アレイトラップ（例えば、十字交差レーザビームの格子として形成される）に保持される。レーザビームは、「赤方離調」され、すなわち、所与の量子状態遷移に関連する共振波長よりも長い波長を有しうる。この赤方離調の場合、原子は、光強度ピークによって所定位置に引き付けられて保持される。あるいは、レーザビームは、所与の量子状態遷移に関連する波長よりも若干短い波長を有するように、「青方離調」されうる。青方離調の場合、原子は、最大強度によって斥けられ、レーザ光によって囲まれた暗い領域に閉じ込められる。
【図面の簡単な説明】
【0005】
【図1】赤方離調光および青方離調光の両方を用いて量子レジスタを形成する量子コンピュータシステムを示す概略図。
【0006】
【図2】赤方離調光、青方離調光、および、赤方離調光かつ青方離調光のアレイトラップを示す概念図。
【0007】
【0008】
【図4】トラップ波長および共振波長の他の配置を示すグラフ。
【0009】
【0010】
【図6】埋められていない（赤方離調）光ピンセットアレイトラップを示す図。
【0011】
【0012】
【図8】埋められていない（青方離調）ボトルビームアレイトラップを示す図。
【0013】
【0014】
【図10】ボトルビームおよび光ピンセットを備えた埋められているハイブリッドアレイトラップを示す図。
【0015】
【図11】光ピンセットと平行青方離調ビームの直交するセットとを備えた埋められているハイブリッドアレイトラップを示す図。
【発明を実施するための形態】
【0016】
本発明は、異なる波長の光を用いて形成されたアレイトラップを提供する。共時的な実施形態において、２以上の異なる波長の両方が、同時に用いられてよく、通時的な実施形態において、２以上の異なる波長が、異なる時に用いられてよい。いくつかの実施形態は、異なる時および同時の両方で、異なる波長を用いる。
【0017】
アレイトラップに用いられる波長の切り替えおよび／または組みあわせることに関連して追加される任意の複雑さは、異なる波長の各々に固有の利点を活用することによって十分に相殺されうる。例えば、ロードされている時に原子を斥けようとしている青方離調アレイトラップに原子をロードすることは比較的困難でありうるため、赤方離調波長が、原子でアレイを埋めるために利用されうる。一方、原子は、青方離調アレイトラップにおいて光強度の極小に位置するので、捕捉光の存在に起因する問題（例えば、散乱、加熱、光シフト、および、デコヒーレンス）から守られうるため、青方離調アレイトラップが、動作サイクルの量子回路実行段階に適しうる。最終的に、赤方離調光および青方離調光の両方を用いてトラップ内に原子をよりしっかりと閉じ込めることが可能であり、これは、アレイトラップの空きサイトを調べる際に有利でありうる。
【0018】
図１に示すように、量子コンピュータシステム１００は、レーザシステム１０２、真空セル１０４、および、読み出しシステム１０６を備える。レーザシステム１０２は、アレイトラップ１１０を確立する際の必要に応じて、同じ波長を有する複数のビームおよび複数セットの異なる波長を有する複数のビームのセットを同時に出力できる。例えば、レーザシステム１０２は、１セットの赤方離調ビーム１１２および１セットの青方離調ビーム１１４を同時にまたは順次に出力できる。利用される波長に応じて、アレイトラップは、引き付ける赤方離調アレイトラップ１１０Ｒ、斥ける青方離調アレイトラップ１１０Ｂ、もしくは、赤方離調および青方離調を組み合わせたアレイトラップ１１０Ｃでありうる（図２参照）。アレイトラップ１１０（図１）は、量子レジスタ１１８を完成させるために、原子（例えば、セシウム１３３（１３３Ｃｓ）原子１１６）で埋められうる。読み出しシステム１０６は、原子１１６の量子状態を特徴付けると共にレジスタ１１８の（例えば、原子の喪失による）任意の空きサイトを検出するために用いられる。
【0019】
量子コンピュータシステム１００で用いられる波長が、図３に示されている。セシウムでは、基底状態からの最低周波数光学遷移は、８９４．６ｎｍのＤ１線である。したがって、８９４．６ｎｍより長い波長の光は、この文脈では「赤方離調」であり、引力捕捉ポテンシャルをもたらす。システム１００は、１０６４ｎｍの光を利用し、この光は、イッテルビウム繊維レーザから容易に利用可能である。
【0020】
原理上、８９４．６未満の波長の光は、Ｄ１共振に関して「青方離調」と見なされうる。しかしながら、８５２．３ｎｍと８９４．６ｎｍとの間の波長を有する光は、８５２．３ｎｍのセシウムのＤ２共振に関して「赤方離調」され、より近い共振が一般的に大きい影響を及ぼす状態で２つの共振の効果の間の相互作用によって決定されるので、その結果として引き付けるのか斥けるのかを判定することは困難である。実際的に、これらの中間波長は、典型的には、技術的な理由（光散乱、比較的大きいテンソル分極率、など）で利用されない。その代わり、「青方離調」斥力ポテンシャルが、１３３Ｃｓ原子にとって望ましい場合、Ｄ２線に関して青方離調された波長の光（すなわち、８５２．３ｎｍより短い波長の光）が利用されうる。８５２．３ｎｍ未満の任意の近赤外線波長が、原理上利用されうる。システム１００において、８０５ｎｍ光は、ガリウム－アルミニウム－ヒ素（ＧａＡｌＡｓ）ダイオードレーザから容易に利用可能であり、反発するアレイトラップを形成するために用いられる。セシウムのその他の量子遷移が用いられる場合、あるいは、ルビジウム８７もしくはその他の原子部分または分子部分が用いられる場合、他の共振波長およびトラップ波長が用いられてもよい。
【0021】
図３に示すように、赤方離調トラップ波長および青方離調トラップ波長は、共振波長の両側に位置する。ただし、図４に示すように、多くのその他の配置が可能である。例えば、トラップ波長４Ｔ１および４Ｔ２は、両方とも共振波長４Ｒ１よりも長く、異なる波長として利用されうる。同様に、トラップ波長４Ｔ４および４Ｔ５は、両方とも共振波長４Ｒ２よりも短く、異なるトラップ波長として利用されうる。トラップ波長４Ｔ３は、共振波長４Ｒ１と４Ｒ２との間にあり、４Ｔ１、４Ｔ２、４Ｔ４、および、４Ｔ５のいずれか、もしくは、共振波長４Ｒ１と４Ｒ２との間の他の波長と組み合わせられうる。本発明は、これらの構成すべてついて利用事例を提供する。
【0022】
冷却中性原子を用いる多波長量子計算処理５００が、図５のフローチャートに示されている。アレイアセンブリ段階５０１が、高強度の赤方離調１０６４ｎｍ捕捉光を用いて、アレイトラップを埋める。アレイアセンブリ段階５０１は、原子クラウド生成サブ段階、原子クラウド圧縮サブ段階、原子アレイロードサブ段階、ロード後原子アレイ冷却サブ段階、原子アレイ圧密サブ段階、および、アレイ初期化段階など、いくつかのサブ段階を含んでよい。原子アレイ圧密サブ段階は、原子アレイ占有読み出しサブ段階および原子再配列サブ段階からなっていてよく、或る程度の原子加熱を受けうる。したがって、アレイ初期化サブ段階は、高強度の赤方離調１０６４ｎｍ捕捉光を用いて原子を冷却する。量子状態初期化段階５０２は、原子が初期値に設定されると、低強度の赤方離調１０６４ｎｍ捕捉光を利用する。これは、例えば、すべての原子を初期の基底量子状態に設定することを含みうる。
【0023】
量子回路実行段階５０３は、量子回路実行中に、低い調整された強度の青方離調８０５ｎｍ捕捉光を用いる。量子回路実行中、原子は、原子が相互作用することを可能にするために、リュードベリ状態に遷移されうる。リュードベリ状態に関連する高い双極子モーメントが、原子を、アレイトラップを形成するために用いられる光に関連する電磁アーチファクトに敏感にさせる。さらに、赤方離調捕捉ポテンシャルは、リュードベリ状態に対して非捕捉的であるが、リュードベリ状態は、青方離調構成に捕捉されたままである。斥ける青方離調アレイトラップを用いると、原子が明格子線から離れてトラップの暗い領域へ入るよう促すため、これは、リュードベリ原子への捕捉光の影響を低減するのに役立つ。青方離調捕捉光に起因する潜在的な摂動は、その強度を低く保つことによってさらに低減される。青方離調トラップの強度は、量子回路の実行を通してコヒーレンスを量子ビット最大化するために、リュードベリ原子および基底状態原子への捕捉の影響を一致させるように調整されてよい。
【0024】
量子状態読み出し段階５０４は、回路実行の結果を決定する際に原子が調べられる時に、高強度の青方離調捕捉光を用いて原子の位置を固定する。代替実施形態において、（赤方離調光からのさらなる非共振散乱を代償に）より深いトラップを提供し、損失を低減するために、赤方離調捕捉光が、青方離調光に加えて用いられる。原子アレイ占有読み出し段階５０５は、空きトラップサイトを検出するためにプローブビームが用いられる時に、高強度の赤方離調および青方離調の捕捉光を用いて、原子の位置を固定する。次いで、空きサイトは、新たな量子計算サイクルのために再ロードされうる。
【0025】
図５の例において、以下のように４つの遷移が存在する。遷移５１２は、赤方離調捕捉光の強度の減少を含み、遷移５２３は、低強度の赤方離調捕捉光から低強度の青方離調捕捉光への「色」の切り替え（例えば、クロスフェード）を含み、遷移５３４は、青方離調捕捉光の強度増加を含み、遷移５４５は、高強度の赤方離調捕捉光を高強度の青方離調捕捉光に追加することを含む。他のシナリオにおいて、以下の遷移が存在しうる。青方離調捕捉光から赤方離調捕捉光への遷移、赤方離調から赤方離調および青方離調捕捉光への直接的な遷移、異なる赤方離調波長の間での遷移、および、異なる青方離調波長の間での遷移。
【0026】
図３に示すように、アレイトラップは、複数の平行レーザビームの直交するセットを用いて形成可能であり、レーザビームは、赤方離調または青方離調されてよい。しかしながら、本発明は、アレイトラップを形成する代替的なアプローチを提供する。例えば、図６は、光ピンセット６０２の二次元アレイ６００で形成された埋められていないアレイトラップを示している。図７に示すように、埋められているピンセットアレイは、それぞれのピンセット６０２によって保持された原子１１６を含みうる。ピンセットは、必然的に赤方離調されているが、図８は、青方離調光を用いて形成されたボトルビーム８０２の埋められていないボトルビームアレイ８００を示している。埋められているボトルビームアレイ９００は、それぞれの捕捉された原子１１６と共にボトルビーム８０２を示している。
【0027】
図１０は、（青方離調）ボトルビーム８０２および（赤方離調）光ピンセット６０２の両方に捕捉されている原子１１６で埋められているハイブリッドアレイ１０００を示している。図１１は、原子１１６で埋められた、赤方離調光ピンセット６０２と青方離調レーザビーム１１６の直交するセットとを組み合わせた別のハイブリッドアレイ１１００を示している。その他のアレイトラップが用いられてもよい（例えば、平行赤方離調ビームの直交するセットで形成された赤方離調アレイと共にボトルビームアレイなど）。
【0028】
２つの主なタイプ（赤方離調および青方離調）の光学トラップが存在する。赤方離調トラップにおいて、光は、引力ポテンシャルを提供し、原子は、高強度の領域に局在化される。青方離調トラップにおいて、光は、斥ける光（反発光）斥け光であり、原子は、強度の極小に局在化される。捕捉光は、光強度および光散乱に比例するエネルギシフトにより原子量子ビットのデコヒーレンスに寄与する。トラップエネルギレベルの量子化を考慮する必要があるほど原子が低温ではないという条件で、光散乱は強度に比例する。これらの理由で、青方離調トラップは、赤方離調トラップよりも引き起こすデコヒーレンスが少ない。この利点は、極大を作り出す際の相対的な単純さと比較して、強度の極小を作り出す際の複雑さの増大を考慮して検討される必要がある。
【0029】
最も単純な赤方離調トラップは、小さいウエストｗ０に集束されたＴＥＭ００ガウスビームである。ビームをｚに沿って伝搬させるとすると、強度分布は、
であり、
ここで、Ｉ０は、ピーク強度であり、
は、レイリー長であり、
である。赤トラップのアレイは、入力ガウスビームの複数のコピーを生成するための回折ビームスプリッタ、空間光変調器、または、音響光学偏向器を用いて、もしくは、その他の手段によって、容易に準備されうる。
【数1】
ここで、Ｉ０は、ピーク強度であり、
【数2】
【数3】
【0030】
参照によって本明細書に組み込まれている、Ｍ．ＳａｆｆｍａｎおよびＴ．Ｇ．Ｗａｌｋｅｒ「Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ａ ｑｕａｎｔｕｍ ｌｏｇｉｃ ｄｅｖｉｃｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｄｉｐｏｌｅ－ｄｉｐｏｌｅ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ｏｐｔｉｃａｌｌｙ ｔｒａｐｐｅｄ Ｒｙｄｂｅｒｇ ａｔｏｍｓ」、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ａ７２，０２２３４７（２００５）で教示されているように、ばね定数は、
であり、
ここで、Ｕは、トラップ深さである。スカラー原子分極率の最も単純な場合において、トラップ深さは、
であり、ここで、αは、トラップ波長での分極率であり、ε０は、真空の誘電率であり、ｃは、光の速度である。
【数4】
ここで、Ｕは、トラップ深さである。スカラー原子分極率の最も単純な場合において、トラップ深さは、
【数5】
【0031】
対応する振動周波数
は、
である。
【数6】
【数7】
【0032】
多くの占有振動モードの温度限界において、原子位置の分散は、
である。
【数8】
【0033】
実際的に、σの直接測定は困難であるが、ωは、パラメトリック加熱によって測定できる。そして、原子の局所化は、以下によって与えられる。
【数9】
【0034】
青方離調捕捉に必要とされる光強度の極小のアレイを準備することは、一般に、強度の多くの極大を準備するよりも複雑である。或るアプローチは、本明細書に参照によって組み込まれている、Ｇ．Ｌｉ，Ｓ．Ｚｈａｎｇ，Ｌ．Ｉｓｅｎｈｏｗｅｒ，Ｋ．Ｍａｌｌｅｒ，ａｎｄ Ｍ．Ｓａｆｆｍａｎ「Ａ ｃｒｏｓｓｅｄ ｖｏｒｔｅｘ ｂｏｔｔｌｅ ｂｅａｍ ｔｒａｐ ｆｏｒ ｓｉｎｇｌｅ－ａｔｏｍ ｑｕｂｉｔｓ」、Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．３７，８５１（２０１２）で教示されているように、全方向を光によって囲まれている暗いスポットであるいわゆる光ボトルビームを生み出すことである。次いで、ボトルビームは、赤方離調トラップに対してできるのと同じように、回折ビームスプリッタを用いてコピーされうる。
【0035】
別の一般的なアプローチは、規則的な間隔の格子上に極小の二次元アレイを提供する光のパターンを生み出すことである。このアプローチの例は、米国特許第ＵＳ９，３５５，７５０Ｂ２号および米国特許第ＵＳ１０，５５９，３９２Ｂ１号に記載されている。青色トラップのアレイを準備する多くの可能な方法が存在するが、それらは、一般に、所与の捕捉ポテンシャルに対してより多くの光パワーを必要とする。これは、青方離調トラップ内の光分布が非局在化されなければならず、捕捉された粒子をすべての側から囲まなければならないからである。赤方離調の引力ポテンシャルでは、光を一点に集束させれば十分である。したがって、赤方離調トラップにおいて、より小さい光パワーで高強度かつ深い捕捉ポテンシャルを達成できる。
【0036】
非共振光－原子の相互作用は、原子のスカラー分極率の効果によって支配される。光－原子相互作用が引力であるか斥力であるかを決定する分極率の符号は、最も近い原子共鳴に関する光の離調によって決定され、より遠い原子共鳴は従属的な役割を果たす。原子共鳴の赤方離調された（より低い周波数、より長い波長の）光は、正の分極率、ひいては、引力相互作用をもたらす。近傍の原子共鳴の青方離調された（より高い周波数、より短い波長の）光は、負の分極率、ひいては、斥力相互作用をもたらす。
【0037】
赤方離調（引力）ポテンシャルの場合、原子は、光強度が増す方向に引き付けられる。したがって、光強度の三次元空間的な極大が生成された場合、十分に冷たい原子が、結果として生じた捕捉ポテンシャルに捕捉される。青方離調（斥力）ポテンシャルの場合、原子は、光強度の高い領域によって斥けられる。したがって、光強度の三次元空間的な極小が生成された場合、この領域内に存在する十分に冷たい原子が、結果として生じた捕捉ポテンシャルによって捕捉される。
【0038】
青方離調光トラップ内の原子は、光強度の極小に位置するので、捕捉光の存在に起因する問題（散乱、加熱、光シフト、デコヒーレンス）から守られうるため、青方離調光トラップは、動作サイクルのいくつかの部分（例えば、量子回路実行の量子動作部分）に適しうる。しかしながら、赤方離調光を用いて強度極大を生成することは、三次元空間的な光強度極小の生成よりも簡単であり、したがって、青方離調光を用いて強度極小を生成するよりも不具合（収差、不均一性、など）を起こしにくい。また、赤方離調トラップにおけるベクトル光シフトの空間分布は、より簡単に管理することができる。
【0039】
より高いトラップ周波数を生成することは、赤方離調された引き付けるピンセットにおいては実際的に容易でありうる。実際的に、青方離調光を用いるよりも赤方離調光を用いる方が、より深いトラップの生成が容易でありうる。１つのシステム内の赤色トラップおよび青色トラップの両方を利用できることで、サイクルの一部分に対する赤方離調トラップの最適化およびサイクルの別の部分に対する青方離調トラップの最適化の両方に関する様々な要件を緩和できる。例えば、青方離調トラップが、すべての量子動作のために用いられるが、冷却のために用いられず、近振動基底状態の原子だけが青方離調トラップ内に存在する場合、青方離調トラップは、あまり深い必要はなく、これは、システムのコヒーレンス性能をさらに改善するより好ましいレーザ技術および／またはより遠い離調を可能にしうる。赤色トラップが、量子動作中には用いられず、ロード、冷却、および、読み出しの間のみに用いられる場合、より小さい離調を用いる効果は、より簡単に管理可能であり、より深く、より緊密なトラップを可能にし、より良い量子ビットアレイ準備（ロード、再配列、占有測定、運動状態準備、および、いくつかのケースでは、量子状態準備）をもたらし、より良い量子状態読み出し保持性能につながりうる。
【0040】
上述した波長遷移のほとんどは、１つの赤方離調波長と１つの青方離調波長との間の遷移であったが、本発明は、図４における２つの異なる赤方離調波長４Ｔ１および４Ｔ２の間の遷移、ならびに、２つの異なる青方離調波長４Ｔ４および４Ｔ５の間の遷移も提供する。また、或る共振４Ｒ２波長に関して赤方離調され、別の共振波長４Ｒ１に関して青方離調された波長４Ｔ３（例えば、セシウムのＤ１およびＤ２共振波長の間の波長）との遷移も提供される。波長をオンおよびオフにする代わりに、同時に存在する波長の相対強度を変える（例えば、クロスフェードさせる）ことを含む遷移によって、２以上の波長をオンにしたままにしてもよい。
【0041】
本明細書において、「量子粒子」とは、二者択一的な量子状態を取ることができる粒子のことである。この文脈において、対象となる粒子量子は、原子および多原子分子を含む。本明細書において、「捕捉」とは、トラップ内に粒子を捕らえ、さらに、トラップ内の粒子がトラップから逃れるのを防ぐことを含む。
【0042】
上で論じた波長は、赤外領域内にある。赤外領域の文脈において、赤色光および青色光は両方とも赤外線波長よりも短い波長を有するので、「赤方離調」および「青方離調」という用語は、一般的には誤称と認められる。可視光スペクトルの文脈において、赤色は最長の波長を有し、青色は最短の波長を有する。その文脈において、「赤方離調」は、何らかの基準に対して長い波長を含み、「青方離調」は、基準よりも短い波長を含むことを意味する。慣習により、可視光の文脈における「赤方離調」および「青方離調」の意味が、赤外光の文脈に移されている。あるいは、「赤方離調」波長は、「引き付ける」波長と呼ばれ、「青色離調」波長は、「斥ける」波長と呼ばれうる。本発明は、可視領域および紫外領域を含む様々な電磁放射（ＥＭＲ）領域と、赤外領域とにおいて、トラップおよび共振波長を提供する。
【0043】
本明細書において、「従来技術」と表示されている技術があれば、すべて従来技術として認められ、「従来技術」と表示されていない技術があれば、すべて従来技術として認められない。開示されている実施形態、その変更例、および、その変形例は、本発明によって提供され、本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲によって規定される。
［適用例１］量子計算処理であって、
原子が、誘引光の強度極大に引き付けられるように、前記誘引光を用いてアレイトラップが形成されている時に、前記原子をアレイトラップにロードし、
前記原子が、斥け光の強度極大から斥けられて前記アレイトラップの比較的暗い領域へ閉じ込められるように、前記反発光を用いて前記アレイトラップが形成されている時に、量子回路を実行すること、
を備える、処理。
［適用例２］適用例１に記載の量子計算処理であって、前記原子は、第１共振波長を有し、前記誘引光は、前記第１共振波長よりも長い第１トラップ波長を有し、前記反発光は、前記第１共振波長よりも短い第２トラップ波長を有する、処理。
［適用例３］適用例１に記載の量子計算処理であって、さらに、誘引光および反発光を同時に用いて前記アレイトラップが形成されている時に、空きアレイサイトを検出することを備える、処理。
［適用例４］適用例３に記載の量子計算処理であって、前記原子は、第１共振波長を有し、前記誘引光は、前記第１共振波長よりも長い第１トラップ波長を有し、前記反発光は、前記第１共振波長よりも短い第２トラップ波長を有する、処理。
［適用例５］量子粒子捕捉システムであって、
真空セルと、
量子粒子を捕捉するためのアレイトラップを形成するために用いられる複数のトラップ波長の電磁放射（ＥＭＲ）を提供するためのレーザシステムと、
を備え、
前記複数のトラップ波長は、第１トラップ波長および第２トラップ波長を含み、前記第２トラップ波長は、前記第１トラップ波長とは異なり、前記量子粒子は、第１量子粒子を含む、システム。
［適用例６］量子粒子捕捉処理であって、
第１トラップ波長の電磁放射（ＥＭＲ）を用いてアレイトラップが形成されている時に、第１量子粒子を含む量子粒子を前記アレイトラップ内に捕捉し、
前記第１トラップ波長とは異なる第２トラップ波長のＥＭＲを用いて前記アレイトラップが形成されている時に、前記第１量子粒子を含む前記量子粒子を前記アレイトラップ内に捕捉すること、
を備える、処理。
［適用例７］適用例６に記載の量子粒子捕捉処理であって、前記アレイトラップは、前記第１トラップ波長のＥＭＲおよび前記第２トラップ波長のＥＭＲを同時に用いて形成されている、処理。
［適用例８］適用例６に記載の量子粒子捕捉処理であって、前記第１トラップ波長の電磁放射（ＥＭＲ）を用いて前記アレイトラップが形成されている時に、第１量子粒子を含む量子粒子をアレイトラップ内に捕捉することは、前記第２トラップ波長のＥＭＲが前記アレイトラップを形成するために用いられていない時に実行される、処理。
［適用例９］適用例６に記載の量子粒子捕捉処理であって、前記第１粒子は、第１共振波長を有し、前記第２トラップ波長は、前記第１トラップ波長と前記第１共振波長との間にある、処理。
［適用例１０］適用例６に記載の量子粒子捕捉処理であって、前記第１粒子は、第１共振波長と、前記第１共振波長とは異なる第２共振波長とを有し、前記第１トラップ波長は、前記第１共振波長と前記第２共振波長との間にある、処理。
［適用例１］量子計算処理であって、
原子が、誘引光の強度極大に引き付けられるように、前記誘引光を用いてアレイトラップが形成されている時に、前記原子をアレイトラップにロードし、
前記原子が、斥け光の強度極大から斥けられて前記アレイトラップの比較的暗い領域へ閉じ込められるように、前記反発光を用いて前記アレイトラップが形成されている時に、量子回路を実行すること、
を備える、処理。
［適用例２］適用例１に記載の量子計算処理であって、前記原子は、第１共振波長を有し、前記誘引光は、前記第１共振波長よりも長い第１トラップ波長を有し、前記反発光は、前記第１共振波長よりも短い第２トラップ波長を有する、処理。
［適用例３］適用例１に記載の量子計算処理であって、さらに、誘引光および反発光を同時に用いて前記アレイトラップが形成されている時に、空きアレイサイトを検出することを備える、処理。
［適用例４］適用例３に記載の量子計算処理であって、前記原子は、第１共振波長を有し、前記誘引光は、前記第１共振波長よりも長い第１トラップ波長を有し、前記反発光は、前記第１共振波長よりも短い第２トラップ波長を有する、処理。
［適用例５］量子粒子捕捉システムであって、
真空セルと、
量子粒子を捕捉するためのアレイトラップを形成するために用いられる複数のトラップ波長の電磁放射（ＥＭＲ）を提供するためのレーザシステムと、
を備え、
前記複数のトラップ波長は、第１トラップ波長および第２トラップ波長を含み、前記第２トラップ波長は、前記第１トラップ波長とは異なり、前記量子粒子は、第１量子粒子を含む、システム。
［適用例６］量子粒子捕捉処理であって、
第１トラップ波長の電磁放射（ＥＭＲ）を用いてアレイトラップが形成されている時に、第１量子粒子を含む量子粒子を前記アレイトラップ内に捕捉し、
前記第１トラップ波長とは異なる第２トラップ波長のＥＭＲを用いて前記アレイトラップが形成されている時に、前記第１量子粒子を含む前記量子粒子を前記アレイトラップ内に捕捉すること、
を備える、処理。
［適用例７］適用例６に記載の量子粒子捕捉処理であって、前記アレイトラップは、前記第１トラップ波長のＥＭＲおよび前記第２トラップ波長のＥＭＲを同時に用いて形成されている、処理。
［適用例８］適用例６に記載の量子粒子捕捉処理であって、前記第１トラップ波長の電磁放射（ＥＭＲ）を用いて前記アレイトラップが形成されている時に、第１量子粒子を含む量子粒子をアレイトラップ内に捕捉することは、前記第２トラップ波長のＥＭＲが前記アレイトラップを形成するために用いられていない時に実行される、処理。
［適用例９］適用例６に記載の量子粒子捕捉処理であって、前記第１粒子は、第１共振波長を有し、前記第２トラップ波長は、前記第１トラップ波長と前記第１共振波長との間にある、処理。
［適用例１０］適用例６に記載の量子粒子捕捉処理であって、前記第１粒子は、第１共振波長と、前記第１共振波長とは異なる第２共振波長とを有し、前記第１トラップ波長は、前記第１共振波長と前記第２共振波長との間にある、処理。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】