特表 2023-526072 アレイに原子を配置するための方法および装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2023-06-20

(54)【発明の名称】アレイに原子を配置するための方法および装置

(51)【国際特許分類】

   B82B 3/00 20060101AFI20230613BHJP

   G02B 3/14 20060101ALI20230613BHJP

   G02F 1/01 20060101ALI20230613BHJP

   B82Y 40/00 20110101ALI20230613BHJP

【ＦＩ】

B82B3/00

G02B3/14

G02F1/01 B

B82Y40/00

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2022569579

(86)(22)【出願日】2021-05-11

(85)【翻訳文提出日】2023-01-13

(86)【国際出願番号】 US2021031709

(87)【国際公開番号】W WO2021231378

(87)【国際公開日】2021-11-18

(31)【優先権主張番号】63/023,461

(32)【優先日】2020-05-12

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】522445055

【氏名又は名称】クエラ コンピューティング インコーポレーテッド

【氏名又は名称原語表記】ＱＵＥＲＡ ＣＯＭＰＵＴＩＮＧ ＩＮＣＯＲＰＯＲＡＴＥＤ

【住所又は居所原語表記】１２８４ Ｓｏｌｄｉｅｒｓ Ｆｉｅｌｄ Ｒｏａｄ， Ｂｏｓｔｏｎ， Ｍａｓｓａｃｈｕｓｅｔｔｓ ０２１３５， Ｕ．Ｓ．Ａ．

(74)【代理人】

【識別番号】100102842

【弁理士】

【氏名又は名称】葛和 清司

(72)【発明者】

【氏名】キム，トンギュ

(72)【発明者】

【氏名】イングランド，ダーク

(72)【発明者】

【氏名】ジャーマルク，ネイサン

(72)【発明者】

【氏名】バイラインスキー，アレクセイ

(72)【発明者】

【氏名】グライナー，マーカス

【テーマコード（参考）】

2K102

【Ｆターム（参考）】

2K102AA21

2K102AA30

2K102BA00

2K102BA05

2K102BA10

2K102BB01

2K102BB04

2K102BC01

2K102DB08

2K102DC07

2K102DD02

2K102DD03

2K102EA18

2K102EA19

2K102EA21

2K102EB02

2K102EB22

(57)【要約】

本出願は、原子をアレイ状に配置するための方法および装置を開示する。３次元空間内に原子を配置するためのシステムは、３次元空間内に複数の切り替え可能な光トラップを生成するように操作可能な光学システム、複数の切り替え可能な光トラップ内の原子を検出するように構成されたセンサ、複数の切り替え可能な光トラップ内で多数の原子を同時に動かすように操作可能なスキャナ、および複数の切り替え可能な光トラップ内の原子を原子の所望の構成に分類するために、光学システムおよびスキャナを操作するように構成された少なくとも１つのコントローラであって、光学システムおよびスキャナの操作は、複数の切り替え可能な光トラップ内の原子を検出するセンサによって生成されるセンサデータに少なくとも部分的に基づく、前記コントローラを含む。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

３次元空間内に原子を配置するためのシステムであって、該システムは：
３次元空間内に複数の切り替え可能な光トラップを生成するように操作可能な光学システム；
複数の切り替え可能な光トラップ内の原子を検出するように構成されたセンサ；
複数の切り替え可能な光トラップ内で多数の原子を同時に動かすように操作可能なスキャナ；および
複数の切り替え可能な光トラップ内の原子を原子の所望の構成に分類するために、光学システムおよびスキャナを操作するように構成された少なくとも１つのコントローラであって、光学システムおよびスキャナの操作は、複数の切り替え可能な光トラップ内の原子を検出するセンサによって生成されるセンサデータに少なくとも部分的に基づく、前記コントローラ
を含む、前記システム。

【請求項2】

光学システムが、操作時に、複数の切り替え可能な光トラップのうちの１以上の切り替え可能な光トラップを非アクティブ化する少なくとも１つの空間光変調器（ＳＬＭ）を含む、請求項１に記載のシステム。

【請求項3】

少なくとも１つのコントローラが、少なくとも１つのＳＬＭを操作して、１以上の切り替え可能な光トラップをアクティブ化または非アクティブ化するようにさらに構成される、請求項２に記載のシステム。

【請求項4】

光学システムが、光学システムによって生成される切り替え可能な光トラップのアレイよりも浅いトラップポテンシャルを有する、３次元空間内に複数の静的光トラップを生成するように操作可能な第２の空間光変調器（ＳＬＭ）をさらに含む、請求項１に記載のシステム。

【請求項5】

静的光トラップのアレイが、３次元空間内の２次元平面において規則的間隔のアレイを形成する、請求項４に記載のシステム。

【請求項6】

センサが、光学カメラを含む、請求項１に記載のシステム。

【請求項7】

原子の所望の構成が、最密構成である、請求項１に記載のシステム。

【請求項8】

スキャナが、ミラー検流計および焦点調整可能レンズを含む、請求項１に記載のシステム。

【請求項9】

少なくとも１つのコントローラが：
センサによって生成されたセンサデータを受信する；および
センサからセンサデータをさらに受信することなく、複数の操作を実行するために光学システムとスキャナを操作し、複数の操作のそれぞれにおいて、複数の原子が３次元空間内で動かされる、請求項１に記載のシステム。

【請求項10】

複数の切り替え可能な光トラップが、規則的間隔のｎ位置アレイに配置される、請求項１に記載のシステム。

【請求項11】

少なくとも１つのコントローラが：
センサによって生成されたセンサデータに基づいて、切り替え可能な光トラップのアレイ内に捕捉された複数の原子のそれぞれを動かして、原子を規則的間隔のｎ位置アレイ内の所望の構成に分類するいくつかの位置を決定する；および
複数の原子のそれぞれについて決定されたいくつかの位置に基づいて、スキャナを使用して、複数の原子を３次元空間の初期位置から３次元空間の最密位置まで動かす、一連の操作を生成するように構成される、請求項１０に記載のシステム。

【請求項12】

一連の操作のうちの少なくとも１つの操作中に、複数の原子のうちの少なくとも２つがスキャナを使用して同時に動かされる、請求項１１に記載のシステム。

【請求項13】

複数の原子のそれぞれのいくつかの位置が、２進数で表され、少なくとも１つのコントローラが：
最下位ビットから最上位ビットまでの２進数のそれぞれのビットを、ビットが１であるかゼロであるかに基づいて原子を動かす命令または動かさない命令として解釈することにより、複数の原子のそれぞれの原子に対して、一連の操作を生成するように構成される、請求項１２に記載のシステム。

【請求項14】

少なくとも１つのコントローラが：
スキャナを使用して複数の原子のそれぞれの原子ｌを動かすためのいくつかの位置ｄ（ｌ）を決定し、原子を所望の構成に分類する；
複数の原子のそれぞれについて決定されたいくつかの位置ｄ（ｌ）をｍビットの２進数として表す、ここでｍ＝ｒｏｕｎｄ（ｌｏｇ_２（ｎ－１））；
スキャナを操作して、それぞれの原子ｌをいくつかの位置ｄ_ｌ，ｋ＝ａ_ｌ，ｋ２^ｋだけ動かす、ここで、ａ_ｌ，ｋ∈｛０，１｝は、それぞれの原子ｌの２進数のビットｋ；および
それぞれの原子ｌの移動をｍ回繰り返し、ｋ＝０からｋ＝ｋ＋１ずつ毎回インクリメントするように構成される、請求項１３に記載のシステム。

【請求項15】

少なくとも１つのコントローラが：
センサによって生成されたセンサデータに基づいて、切り替え可能な光トラップのアレイ内に捕捉された複数の原子のそれぞれを動かすためのいくつかの位置を決定し、原子を規則的間隔のｎ位置アレイ内の所望の構成に分類する；および、
複数の原子のそれぞれについて決定されたいくつかの位置に基づいて、複数の原子がスキャナを使用して３次元空間内の最密位置から３次元空間内のターゲット位置に動かされる一連の操作を生成するように構成される、請求項１０に記載のシステム。

【請求項16】

一連の操作の少なくとも１つの操作中に、複数の原子のうちの少なくとも２つが、スキャナを使用して同時に動かされる、請求項１５に記載のシステム。

【請求項17】

複数の原子のそれぞれのいくつかの位置が、２進数で表され、少なくとも１つのコントローラが：
最上位ビットから最下位ビットまでの２進数のそれぞれのビットを、ビットが１であるかゼロであるかに基づいて原子を動かす命令または動かさない命令として解釈することにより、複数の原子のそれぞれの原子に対して、一連の操作を生成するように構成される、請求項１６に記載のシステム。

【請求項18】

少なくとも１つのコントローラが：
スキャナを使用して複数の原子のそれぞれの原子ｌを動かすためのいくつかの位置ｆ（ｌ）を決定し、原子を規則的間隔のｎ位置アレイ内の所望の構成に分類する；
複数の原子のそれぞれについて決定されたいくつかの位置ｆ（ｌ）をｍビットの２進数として表す、ここでｍ＝ｒｏｕｎｄ（ｌｏｇ_２（ｎ－１））；
スキャナを操作して、それぞれの原子ｌをいくつかの位置ｆ_ｌ，ｋ＝ａ_ｌ，ｋ２^ｋだけ動かす、ここで、ａ_ｌ，ｋ∈｛０，１｝は、それぞれの原子ｌの２進数のビットｋ；および
それぞれの原子ｌの移動を繰り返し、ｋ＝０まで毎回デクリメントするように構成される、請求項１７に記載のシステム。

【請求項19】

少なくとも１つのコントローラが：
センサによって生成されたセンサデータに基づいて、切り替え可能な光トラップのアレイ内に捕捉された複数の原子のそれぞれを動かすためのいくつかの位置を決定し、原子を規則的間隔のｎ位置アレイ内の所望の構成に分類する；および、
複数の原子のそれぞれについて決定されたいくつかの位置に基づいて、複数の原子がスキャナを使用して３次元空間内の初期位置から３次元空間内のｎ位置アレイよりも高い分解能を有する、切り替え可能な高解像度光トラップの規則的間隔のｈ位置アレイ内のターゲット位置に動かされる一連の操作を生成するように構成される、請求項１０に記載のシステム。

【請求項20】

一連の操作の少なくとも１つの操作中に、複数の原子のうちの少なくとも２つが、スキャナを使用して同時に動かされる、請求項１９に記載のシステム。

【請求項21】

複数の原子のそれぞれのいくつかの位置が、２進数で表され、少なくとも１つのコントローラが：
最下位ビットから最上位ビットまでの２進数のそれぞれのビットを、ビットが１であるかゼロであるかに基づいて原子を動かす命令または動かさない命令として解釈することにより、複数の原子のそれぞれの原子に対して、一連の操作を生成するように構成される、請求項２０に記載のシステム。

【請求項22】

少なくとも１つのコントローラが：
スキャナを使用して複数の原子のそれぞれの原子ｌを動かすためのいくつかの位置ｇ（ｌ）を決定し、原子を規則的間隔のｈ位置アレイ内の所望の構成に分類する；
複数の原子のそれぞれについて決定されたいくつかの位置ｇ（ｌ）をｕビットの２進数として表す、ここでｕ＝ｒｏｕｎｄ（ｌｏｇ_２（ｈ－１））；
スキャナを操作して、それぞれの原子ｌをいくつかの位置ｇ_ｌ，ｋ＝ａ_ｌ，ｋ２^ｋだけ動かす、ここで、ａ_ｌ，ｋ∈｛０，１｝は、それぞれの原子ｌの２進数のビットｋ；および
それぞれの原子ｌの移動をｕ回繰り返し、ｋ＝０からｋ＝ｋ＋１ずつ毎回インクリメントするように構成される、請求項２１に記載のシステム。

【請求項23】

３次元空間内に原子を配置するための方法であって、該方法は：
光学システムを操作して、３次元空間内に複数の切り替え可能な光トラップを生成すること；
センサを使用し、複数の切り替え可能な光トラップ内に補足された原子を検出すること；
スキャナを操作して、複数の切り替え可能な光トラップ内で多数の原子を同時に動かすこと；および
少なくとも１つのコントローラを使用して、複数の切り替え可能な光トラップ内の原子を原子の所望の構成に分類するために、光学システムおよびスキャナを操作し、光学システムおよびスキャナの操作は、複数の切り替え可能な光トラップ内の原子を検出するセンサによって生成されるセンサデータに少なくとも部分的に基づくこと、
を含む、前記方法。

【請求項24】

複数の切り替え可能な光トラップのうちの１以上の切り替え可能な光トラップを非アクティブ化する少なくとも１つの空間光変調器（ＳＬＭ）を操作することをさらに含む、請求項２３に記載の方法。

【請求項25】

第２の空間光変調器（ＳＬＭ）を操作して、光学システムによって生成される複数の切り替え可能な光トラップよりも浅いトラップポテンシャルを有する、３次元空間内の静的光トラップの規則的間隔のｎ位置アレイを生成することをさらに含む、請求項２３に記載の方法。

【請求項26】

静的光トラップのアレイが、３次元空間内の２次元平面において規則的間隔のアレイを形成する、請求項２５に記載の方法。

【請求項27】

センサが、光学カメラを含む、請求項２３に記載の方法。

【請求項28】

所望の構成が最密構成である、請求項２３に記載の方法。

【請求項29】

スキャナが、ミラー検流計および焦点調節可能レンズを含む、請求項２３に記載の方法。

【請求項30】

少なくとも１つのコントローラによって、センサによって生成されたセンサデータを受信すること；および
少なくとも１つのコントローラによって、センサからセンサデータをさらに受信することなく、複数の操作を実行するために光学システムとスキャナを操作し、複数の操作のそれぞれにおいて、複数の原子が３次元空間内で動かされることさらに含む、請求項２３に記載の方法。

【請求項31】

複数の切り替え可能な光トラップが、規則的間隔のｎ位置アレイに配置される、請求項２３に記載の方法。

【請求項32】

少なくとも１つのコントローラによって、センサによって生成されたセンサデータに基づいて、切り替え可能な光トラップのアレイ内に捕捉された複数の原子のそれぞれを動かすためのいくつかの位置を決定し、原子を規則的間隔のｎ位置アレイ内の所望の構成に分類すること；および、
少なくとも１つのコントローラによって、複数の原子のそれぞれについて決定されたいくつかの位置に基づいて、複数の原子がスキャナを使用して３次元空間内の初期位置から３次元空間内の最密位置に動かされる一連の操作を生成することをさらに含む、請求項３１に記載の方法。

【請求項33】

一連の操作のうちの少なくとも１つの操作中に、複数の原子のうちの少なくとも２つが、スキャナを使用して同時に動かされる、請求項３２に記載の方法。

【請求項34】

複数の原子のそれぞれのいくつかの位置が、２進数で表され、方法が：
少なくとも１つのコントローラによって、最下位ビットから最上位ビットまでの２進数のそれぞれのビットを、ビットが１であるかゼロであるかに基づいて原子を動かす命令または動かさない命令として解釈することにより、複数の原子のそれぞれの原子に対して、一連の操作を生成することをさらに含む、請求項３３に記載の方法。

【請求項35】

少なくとも１つのコントローラによって：
スキャナを使用して複数の原子のそれぞれの原子ｌを動かすためのいくつかの位置ｄ（ｌ）を決定し、原子を所望の構成に分類する；
複数の原子のそれぞれについて決定されたいくつかの位置ｄ（ｌ）をｍビットの２進数として表す、ここでｍ＝ｒｏｕｎｄ（ｌｏｇ_２（ｎ－１））；
スキャナを操作して、それぞれの原子ｌをいくつかの位置ｄ_ｌ，ｋ＝ａ_ｌ，ｋ２^ｋだけ動かす、ここで、ａ_ｌ，ｋ∈｛０，１｝は、それぞれの原子ｌの２進数のビットｋ；および
それぞれの原子ｌの移動をｍ回繰り返し、ｋ＝０からｋ＝ｋ＋１ずつ毎回インクリメントする
ことをさらに含む、請求項３４に記載の方法。

【請求項36】

少なくとも１つのコントローラによって：
センサによって生成されたセンサデータに基づいて、切り替え可能な光トラップのアレイ内に捕捉された複数の原子のそれぞれを動かすためのいくつかの位置を決定し、原子を規則的間隔のｎ位置アレイ内の所望の構成に分類する；および、
複数の原子のそれぞれについて決定されたいくつかの位置に基づいて、複数の原子がスキャナを使用して３次元空間内の最密位置から３次元空間内のターゲット位置に動かされる一連の操作を生成することをさらに含む、請求項３１に記載の方法。

【請求項37】

一連の操作の少なくとも１つの操作中に、複数の原子のうちの少なくとも２つが、スキャナを使用して同時に動かされる、請求項３６に記載の方法。

【請求項38】

複数の原子のそれぞれのいくつかの位置が、２進数で表され、少なくとも１つのコントローラが：
最上位ビットから最下位ビットまでの２進数のそれぞれのビットを、ビットが１であるかゼロであるかに基づいて原子を動かす命令または動かさない命令として解釈することにより、複数の原子のそれぞれの原子に対して、一連の操作を生成するように構成される、請求項３７に記載の方法。

【請求項39】

少なくとも１つのコントローラによって：
スキャナを使用して複数の原子のそれぞれの原子ｌを動かすためのいくつかの位置ｆ（ｌ）を決定し、原子を規則的間隔のｎ位置アレイ内の所望の構成に分類する；
複数の原子のそれぞれについて決定されたいくつかの位置ｆ（ｌ）をｍビットの２進数として表す、ここでｍ＝ｒｏｕｎｄ（ｌｏｇ_２（ｎ－１））；
スキャナを操作して、それぞれの原子ｌをいくつかの位置ｆ_ｌ，ｋ＝ａ_ｌ，ｋ２^ｋだけ動かす、ここで、ａ_ｌ，ｋ∈｛０，１｝は、それぞれの原子ｌの２進数のビットｋ；および
それぞれの原子ｌの移動を繰り返し、ｋ＝０まで毎回デクリメントｋ＝k-1することをさらに含む、請求項３８に記載の方法。

【請求項40】

少なくとも１つのコントローラによって：
センサによって生成されたセンサデータに基づいて、切り替え可能な光トラップのアレイ内に捕捉された複数の原子のそれぞれを動かすためのいくつかの位置を決定し、原子を規則的間隔のｎ位置アレイ内の所望の構成に分類する；および、
複数の原子のそれぞれについて決定されたいくつかの位置に基づいて、複数の原子がスキャナを使用して３次元空間内の初期位置から３次元空間内のｎ位置アレイよりも高い分解能を有する、切り替え可能な高解像度光トラップの規則的間隔のｈ位置アレイ内のターゲット位置に動かされる一連の操作を生成することをさらに含む、請求項３１に記載の方法。

【請求項41】

一連の操作の少なくとも１つの操作中に、複数の原子のうちの少なくとも２つが、スキャナを使用して同時に動かされる、請求項４０に記載の方法。

【請求項42】

複数の原子のそれぞれのいくつかの位置が、２進数で表され、少なくとも１つのコントローラが：
最下位ビットから最上位ビットまでの２進数のそれぞれのビットを、ビットが１であるかゼロであるかに基づいて原子を動かす命令または動かさない命令として解釈することにより、複数の原子のそれぞれの原子に対して、一連の操作を生成するように構成される、請求項４１に記載の方法。

【請求項43】

少なくとも１つのコントローラによって：
スキャナを使用して複数の原子のそれぞれの原子ｌを動かすためのいくつかの位置ｇ（ｌ）を決定し、原子を規則的間隔のｈ位置アレイ内の所望の構成に分類する；
複数の原子のそれぞれについて決定されたいくつかの位置ｇ（ｌ）をｕビットの２進数として表す、ここでｕ＝ｒｏｕｎｄ（ｌｏｇ_２（ｈ－１））；
スキャナを操作して、それぞれの原子ｌをいくつかの位置ｇ_ｌ，ｋ＝ａ_ｌ，ｋ２^ｋだけ動かす、ここで、ａ_ｌ，ｋ∈｛０，１｝は、それぞれの原子ｌの２進数のビットｋ；および
それぞれの原子ｌの移動をｕ回繰り返し、ｋ＝０からｋ＝ｋ＋１ずつ毎回インクリメントすることをさらに含む、請求項４２に記載の方法。

【請求項44】

命令を含む少なくとも１つの非一時的なコンピュータ可読媒体であって、該命令は、実行されると、３次元空間内に配置された複数の光トラップ内に原子を配置する方法を実行し、該方法は：
光学システムを操作して、３次元空間内に複数の切り替え可能な光トラップを生成すること；
センサを使用し、複数の切り替え可能な光トラップ内に補足された原子を検出すること；
スキャナを操作して、複数の切り替え可能な光トラップ内で多数の原子を同時に動かすこと；および
少なくとも１つのコントローラを使用して、複数の切り替え可能な光トラップ内の原子を原子の所望の構成に分類するために、光学システムおよびスキャナを操作し、光学システムおよびスキャナの操作は、複数の切り替え可能な光トラップ内の原子を検出するセンサによって生成されるセンサデータに少なくとも部分的に基づくこと、
を含む、前記少なくとも１つの非一時的なコンピュータ可読媒体。

【請求項45】

方法が、複数の切り替え可能な光トラップのうちの１以上の切り替え可能な光トラップを非アクティブ化する少なくとも１つの空間光変調器（ＳＬＭ）を操作することをさらに含む、請求項４４に記載の少なくとも１つの非一時的なコンピュータ可読媒体。

【請求項46】

方法が、第２の空間光変調器（ＳＬＭ）を操作して、光学システムによって生成される複数の切り替え可能な光トラップよりも浅いトラップポテンシャルを有する、３次元空間内の静的光トラップの規則的間隔のｎ位置アレイを生成することをさらに含む、請求項４４に記載の少なくとも１つの非一時的なコンピュータ可読媒体。

【請求項47】

静的光トラップのアレイが、３次元空間内の２次元平面において規則的間隔のアレイを形成する、請求項４６に記載の少なくとも１つの非一時的なコンピュータ可読媒体。

【請求項48】

センサが、光学カメラを含む、請求項４４に記載の少なくとも１つの非一時的なコンピュータ可読媒体。

【請求項49】

所望の構成が最密構成である、請求項４４に記載の少なくとも１つの非一時的なコンピュータ可読媒体。

【請求項50】

スキャナが、ミラー検流計および焦点調節可能レンズを含む、請求項４４に記載の少なくとも１つの非一時的なコンピュータ可読媒体。

【請求項51】

方法が：
少なくとも１つのコントローラによって、センサによって生成されたセンサデータを受信すること；および
少なくとも１つのコントローラによって、センサからセンサデータをさらに受信することなく、複数の操作を実行するために光学システムとスキャナを操作し、複数の操作のそれぞれにおいて、複数の原子が３次元空間内で動かされることさらに含む、請求項４４に記載の少なくとも１つの非一時的なコンピュータ可読媒体。

【請求項52】

複数の切り替え可能な光トラップが、規則的間隔のｎ位置アレイに配置される、請求項４４に記載の少なくとも１つの非一時的なコンピュータ可読媒体。

【請求項53】

方法が：
少なくとも１つのコントローラによって、センサによって生成されたセンサデータに基づいて、切り替え可能な光トラップのアレイ内に捕捉された複数の原子のそれぞれを動かすためのいくつかの位置を決定し、原子を規則的間隔のｎ位置アレイ内の所望の構成に分類すること；および、
少なくとも１つのコントローラによって、複数の原子のそれぞれについて決定されたいくつかの位置に基づいて、複数の原子がスキャナを使用して３次元空間内の初期位置から３次元空間内の最密位置に動かされる一連の操作を生成することをさらに含む、請求項５２に記載の少なくとも１つの非一時的なコンピュータ可読媒体。

【請求項54】

一連の操作のうちの少なくとも１つの操作中に、複数の原子のうちの少なくとも２つが、スキャナを使用して同時に動かされる、請求項５３に記載の少なくとも１つの非一時的なコンピュータ可読媒体。

【請求項55】

複数の原子のそれぞれのいくつかの位置が、２進数で表され、方法が：
少なくとも１つのコントローラによって、最下位ビットから最上位ビットまでの２進数のそれぞれのビットを、ビットが１であるかゼロであるかに基づいて原子を動かす命令または動かさない命令として解釈することにより、複数の原子のそれぞれの原子に対して、一連の操作を生成することをさらに含む、請求項５４に記載の少なくとも１つの非一時的なコンピュータ可読媒体。

【請求項56】

方法が、少なくとも１つのコントローラによって：
スキャナを使用して複数の原子のそれぞれの原子ｌを動かすためのいくつかの位置ｄ（ｌ）を決定し、原子を所望の構成に分類する；
複数の原子のそれぞれについて決定されたいくつかの位置ｄ（ｌ）をｍビットの２進数として表す、ここでｍ＝ｒｏｕｎｄ（ｌｏｇ_２（ｎ－１））；
スキャナを操作して、それぞれの原子ｌをいくつかの位置ｄ_ｌ，ｋ＝ａ_ｌ，ｋ２^ｋだけ動かす、ここで、ａ_ｌ，ｋ∈｛０，１｝は、それぞれの原子ｌの２進数のビットｋ；および
それぞれの原子ｌの移動をｍ回繰り返し、ｋ＝０からｋ＝ｋ＋１ずつ毎回インクリメントすることをさらに含む、請求項５５に記載の少なくとも１つの非一時的なコンピュータ可読媒体。

【請求項57】

方法が、少なくとも１つのコントローラによって：
センサによって生成されたセンサデータに基づいて、切り替え可能な光トラップのアレイ内に捕捉された複数の原子のそれぞれを動かすためのいくつかの位置を決定し、原子を規則的間隔のｎ位置アレイ内の所望の構成に分類する；および、
複数の原子のそれぞれについて決定されたいくつかの位置に基づいて、複数の原子がスキャナを使用して３次元空間内の最密位置から３次元空間内のターゲット位置に動かされる一連の操作を生成することをさらに含む、請求項５２に記載の少なくとも１つの非一時的なコンピュータ可読媒体。

【請求項58】

一連の操作の少なくとも１つの操作中に、複数の原子のうちの少なくとも２つが、スキャナを使用して同時に動かされる、請求項５７に記載の少なくとも１つの非一時的なコンピュータ可読媒体。

【請求項59】

複数の原子のそれぞれのいくつかの位置が、２進数で表され、少なくとも１つのコントローラが：
最上位ビットから最下位ビットまでの２進数のそれぞれのビットを、ビットが１であるかゼロであるかに基づいて原子を動かす命令または動かさない命令として解釈することにより、複数の原子のそれぞれの原子に対して、一連の操作を生成するように構成される、請求項５８に記載の少なくとも１つの非一時的なコンピュータ可読媒体。

【請求項60】

方法が、少なくとも１つのコントローラによって：
スキャナを使用して複数の原子のそれぞれの原子ｌを動かすためのいくつかの位置ｆ（ｌ）を決定し、原子を規則的間隔のｎ位置アレイ内の所望の構成に分類する；
複数の原子のそれぞれについて決定されたいくつかの位置ｆ（ｌ）をｍビットの２進数として表す、ここでｍ＝ｒｏｕｎｄ（ｌｏｇ_２（ｎ－１））；
スキャナを操作して、それぞれの原子ｌをいくつかの位置ｆ_ｌ，ｋ＝ａ_ｌ，ｋ２^ｋだけ動かす、ここで、ａ_ｌ，ｋ∈｛０，１｝は、それぞれの原子ｌの２進数のビットｋ；および
それぞれの原子ｌの移動を繰り返し、ｋ＝０まで毎回デクリメントすることをさらに含む、請求項５９に記載の少なくとも１つの非一時的なコンピュータ可読媒体。

【請求項61】

方法が、少なくとも１つのコントローラによって：
センサによって生成されたセンサデータに基づいて、切り替え可能な光トラップのアレイ内に捕捉された複数の原子のそれぞれを動かすためのいくつかの位置を決定し、原子を規則的間隔のｎ位置アレイ内の所望の構成に分類する；および、
複数の原子のそれぞれについて決定されたいくつかの位置に基づいて、複数の原子がトラップ内に補足されたを使用して３次元空間内の初期位置から３次元空間内のｎ位置アレイよりも高い分解能を有する、切り替え可能な高解像度光トラップの規則的間隔のｈ位置アレイ内のターゲット位置に動かされる一連の操作を生成することをさらに含む、請求項４４に記載の少なくとも１つの非一時的なコンピュータ可読媒体。

【請求項62】

一連の操作の少なくとも１つの操作中に、複数の原子のうちの少なくとも２つが、スキャナを使用して同時に動かされる、請求項６１に記載の少なくとも１つの非一時的なコンピュータ可読媒体。

【請求項63】

複数の原子のそれぞれのいくつかの位置が、２進数で表され、少なくとも１つのコントローラが：
最下位ビットから最上位ビットまでの２進数のそれぞれのビットを、ビットが１であるかゼロであるかに基づいて原子を動かす命令または動かさない命令として解釈することにより、複数の原子のそれぞれの原子に対して、一連の操作を生成するように構成される、請求項６２に記載の少なくとも１つの非一時的なコンピュータ可読媒体。

【請求項64】

方法が、少なくとも１つのコントローラによって：
スキャナを使用して複数の原子のそれぞれの原子ｌを動かすためのいくつかの位置ｇ（ｌ）を決定し、原子を規則的間隔のｈ位置アレイ内の所望の構成に分類する；
複数の原子のそれぞれについて決定されたいくつかの位置ｇ（ｌ）をｕビットの２進数として表す、ここでｕ＝ｒｏｕｎｄ（ｌｏｇ_２（ｈ－１））；
スキャナを操作して、それぞれの原子ｌをいくつかの位置ｇ_ｌ，ｋ＝ａ_ｌ，ｋ２^ｋだけ動かす、ここで、ａ_ｌ，ｋ∈｛０，１｝は、それぞれの原子ｌの２進数のビットｋ；および
それぞれの原子ｌの移動をｕ回繰り返し、ｋ＝０からｋ＝ｋ＋１ずつ毎回インクリメントすることをさらに含む、請求項６３に記載の少なくとも１つの非一時的なコンピュータ可読媒体。

【請求項65】

３次元空間内に原子を配置するためのシステムであって、該システムは：
３次元空間内に光トラップの規則的間隔のｎ位置アレイを形成する光格子を生成するように操作可能な第１の光学システム；
規則的間隔のｎ位置アレイ内に切り替え可能な光トラップのアレイを生成するように操作可能な第２の光学システム；
光トラップの規則的間隔のｎ位置アレイ内に捕捉された原子を検出するように構成されたセンサ；
光格子の位相を調整して、光トラップの規則的間隔のｎ位置アレイ内に捕捉された多数の原子を同時に動かすように操作可能な位相変調器；および
規則的間隔のｎ位置アレイ内の原子を原子の所望の構成に分類するために、光学システムおよび位相変調器を操作するように構成された少なくとも１つのコントローラであって、光学システムおよび位相変調器の操作は、規則的間隔のｎ位置アレイ内に補足された原子を検出するセンサによって生成されるセンサデータに少なくとも部分的に基づく、前記コントローラ
を含む、前記システム。

【請求項66】

３次元空間内に配置された複数の光トラップ内に原子を配置する方法であって、該方法は：
少なくとも１つのプロセッサを使用して、３次元空間内の初期位置から３次元空間内のターゲット位置まで複数の原子が複数の光トラップ間で動かされる一連の操作を生成し、一連の操作の少なくとも１つの操作中に、複数の原子のうちの少なくとも２つが、複数の光トラップのトラップ間で同時に動かされること；および
スキャナを操作して、生成された一連の操作に従って、複数の光トラップのトラップ間で複数の原子のうちの１以上を動かすこと
を含む、前記方法。

【請求項67】

センサを使用して、複数の光トラップ内の複数の原子の位置を表すセンサデータを生成すること；および
複数の光トラップ内の複数の原子の位置を表すさらなるセンサデータを生成することなく、一連の操作を実行するためにスキャナを操作すること
をさらに含む、請求項６６に記載の方法。

【請求項68】

センサデータが、複数の光トラップのどれが複数の原子の１つを含有するかを示す、請求項６７に記載の方法。

【請求項69】

複数の光トラップが、３次元空間において規則的間隔のアレイを生成する、請求項６６に記載の方法。

【請求項70】

複数の光トラップが、３次元空間内の２次元平面において規則的間隔のアレイを生成する、請求項６６に記載の方法。

【請求項71】

少なくとも１つの空間光変調器（ＳＬＭ）を操作することによって、複数の光トラップを生成することをさらに含む、請求項６６に記載の方法。

【請求項72】

スキャナが、複数の光トラップよりも低いポテンシャルを有する複数の可動トラップを３次元空間内に生成するように構成されている、請求項６６に記載の方法。

【請求項73】

センサによって生成されたセンサデータに基づいて、少なくとも１つのプロセッサによって、複数の光トラップのトラップ間で複数の原子のそれぞれを動かして、原子を所望の構成に分類するためのいくつかの位置を決定することさらに含む、請求項６６に記載の方法。

【請求項74】

少なくとも１つのプロセッサを使用して、複数の原子のそれぞれについて決定されたいくつかの位置を２進数として表現すること；および
少なくとも１つのプロセッサを使用して、複数の原子のそれぞれの原子について、一連の操作を生成し、最下位ビットから最上位ビットまでの２進数のそれぞれのビットを、ビットが１であるかゼロであるかに基づいて、原子を動かす命令または動かさない命令として解釈すること
をさらに含む、請求項７３に記載の方法。

【請求項75】

複数の光トラップが、３次元空間において規則的間隔のｎ位置アレイを生成し、方法が、少なくとも１つのプロセッサを使用して：
複数の原子のそれぞれの原子ｌを複数の光トラップのトラップ間で動かすためのいくつかの位置ｄ（ｌ）を決定して、原子を所望の構成に分類する；
複数の原子のそれぞれについて決定されたいくつかの位置ｄ（ｌ）をｍビットの２進数として表す、ここでｍ＝ｒｏｕｎｄ（ｌｏｇ_２（ｎ－１））；
スキャナを操作して、それぞれの原子ｌをいくつかの位置ｄ_ｌ，ｋ＝ａ_ｌ，ｋ２^ｋだけ動かす、ここで、ａ_ｌ，ｋ∈｛０，１｝は、それぞれの原子ｌの２進数のビットｋ；および
それぞれの原子ｌの移動をｍ回繰り返し、ｋ＝０からｋ＝ｋ＋１ずつ毎回インクリメントすることを含む、請求項７４に記載の方法。

【請求項76】

所望の構成が、最密構成である、請求項７３に記載の方法。

【請求項77】

実行されると、３次元空間内に配置された複数の光トラップ内に原子を配置する方法を実行する、少なくとも１つの非一時的なコンピュータ可読媒体であって、方法は：
少なくとも１つのプロセッサを使用して、３次元空間内の初期位置から３次元空間内のターゲット位置まで複数の原子が複数の光トラップ間で動かされる一連の操作を生成し、一連の操作の少なくとも１つの操作中に、複数の原子のうちの少なくとも２つが、複数の光トラップのトラップ間で同時に動かされること；および
スキャナを操作して、生成された一連の操作に従って、複数の光トラップのトラップ間で複数の原子のうちの１以上を動かすこと
を含む、前記少なくとも１つの非一時的なコンピュータ可読媒体。

【請求項78】

方法が：
センサを使用して、複数の光トラップ内の複数の原子の位置を表すセンサデータを生成すること；および
複数の光トラップ内の複数の原子の位置を表すさらなるセンサデータを生成することなく、一連の操作を実行するためにスキャナを操作すること
をさらに含む、請求項７７に記載の少なくとも１つの非一時的なコンピュータ可読媒体。

【請求項79】

センサデータが、複数の光トラップのどれが複数の原子の１つを含有するかを示す、請求項７８に記載の少なくとも１つの非一時的なコンピュータ可読媒体。

【請求項80】

複数の光トラップが、３次元空間において規則的間隔のアレイを生成する、請求項７７に記載の少なくとも１つの非一時的なコンピュータ可読媒体。

【請求項81】

複数の光トラップが、３次元空間内の２次元平面において規則的間隔のアレイを生成する、請求項７７に記載の少なくとも１つの非一時的なコンピュータ可読媒体。

【請求項82】

方法が、少なくとも１つの空間光変調器（ＳＬＭ）を操作することによって、複数の光トラップを生成することをさらに含む、請求項７７に記載の少なくとも１つの非一時的なコンピュータ可読媒体。

【請求項83】

スキャナが、複数の光トラップよりも低いポテンシャルを有する複数の可動トラップを３次元空間内に生成するように構成されている、請求項７７に記載の少なくとも１つの非一時的なコンピュータ可読媒体。

【請求項84】

方法が、センサによって生成されたセンサデータに基づいて、少なくとも１つのプロセッサによって、複数の光トラップのトラップ間で複数の原子のそれぞれを動かして、原子を所望の構成に分類するためのいくつかの位置を決定することさらに含む、請求項７７に記載の少なくとも１つの非一時的なコンピュータ可読媒体。

【請求項85】

方法が：
少なくとも１つのプロセッサを使用して、複数の原子のそれぞれについて決定されたいくつかの位置を２進数として表現すること；および
少なくとも１つのプロセッサを使用して、複数の原子のそれぞれの原子について、一連の操作を生成し、最下位ビットから最上位ビットまでの２進数のそれぞれのビットを、ビットが１であるかゼロであるかに基づいて、原子を動かす命令または動かさない命令として解釈すること
をさらに含む、請求項８４に記載の少なくとも１つの非一時的なコンピュータ可読媒体。

【請求項86】

複数の光トラップが、３次元空間において規則的間隔のｎ位置アレイを生成し、方法が、少なくとも１つのプロセッサを使用して：
複数の原子のそれぞれの原子ｌを複数の光トラップのトラップ間で動かすためのいくつかの位置ｄ（ｌ）を決定して、原子を所望の構成に分類する；
複数の原子のそれぞれについて決定されたいくつかの位置ｄ（ｌ）をｍビットの２進数として表す、ここでｍ＝ｒｏｕｎｄ（ｌｏｇ_２（ｎ－１））；
スキャナを操作して、それぞれの原子ｌをいくつかの位置ｄ_ｌ，ｋ＝ａ_ｌ，ｋ２^ｋだけ動かす、ここで、ａ_ｌ，ｋ∈｛０，１｝は、それぞれの原子ｌの２進数のビットｋ；および
それぞれの原子ｌの移動をｍ回繰り返し、ｋ＝０からｋ＝ｋ＋１ずつ毎回インクリメントすることを含む、請求項８５に記載の少なくとも１つの非一時的なコンピュータ可読媒体。

【請求項87】

所望の構成が、最密構成である、請求項８４に記載の少なくとも１つの非一時的なコンピュータ可読媒体。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

関連出願の相互参照
本出願は、「原子をアレイに配置するための方法および装置」と題された、２０２０年５月１２日に出願された米国仮出願第６３／０２３，４６１号の３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１１９（ｅ）に基づく利益を主張し、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。

【背景技術】

【0002】

低温原子は、量子計測や量子情報処理などの量子技術に優れたプラットフォームを提供する。決定論的に原子を配置する最近の開発により、量子計算と量子シミュレーションに不可欠なリソースである欠陥のない原子ジオメトリ（規則的間隔の原子配列など）を作成できる。このようなアレイを作成するための典型的なアプローチは、原子を光磁気トラップ（ＭＯＴ）から再構成可能な光ピンセットにロードし、ロードされたピンセットをターゲット原子ジオメトリに再配置することである。M. Endres, H. Bernien, A. Keesling, H. Levine, E. R. Anschuetz, A. Krajenbrink, C. Senko, V. Vuletic, M. Greiner, and M. D. Lukin, Atom-by-atom assembly of defect-free one-dimensional cold atom arrays, Science vol. 354 (6315) p. 1024-1027 (2016)を参照されたく、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0003】

このような再構成可能な光ピンセットを生成するために、さまざまなタイプの空間光変調器（ＳＬＭ）が使用されている。一例では、音響光学偏向器（ＡＯＤ）を使用して、このようなピンセットアレイを作成する。ＡＯＤは、入射レーザービームを複数のビームに偏向する。それぞれのビームの偏向角度は、偏向器に適用される音波周波数によって制御される。周波数を連続的に変化させると、レーザービームの偏向角度が変化し、ピンセットビームが１次元で再構成される。また、２つの交差したＡＯＤにより、原子を２次元（２Ｄ）に配置できることも示されている。具体的には、レーザービームを第１のＡＯＤに通すことによって、Ｎ個のビームが生成される。第２のＡＯＤ（第１のＡＯＤに対して９０°の向き）では、Ｎ個のビームのそれぞれが別のＭ個のビームに分割され、合計ＭｘＮ個のビームが作成される。

【0004】

ただし、これらのアプローチでは、ピンセットビームの作成と移動が複雑であり、ピンセットの配置に必要な実行時間が長くなるため、大規模な２Ｄ原子配列を作成することが困難である。たとえば、２交差ＡＯＤアプローチではＭｘＮピンセットビームが作成されるが、自由度はＭ＋Ｎしかないため、ピンセットビームを順番に配置するには実行時間が長くなる。光ピンセットがバックグラウンドの原子ガス衝突によって制限される有限時間原子を保持できることを考えると、そのような延長された実行時間は、欠陥のない原子アレイのスケールを制限する。

【0005】

したがって、原子をアレイに配置する際の継続的な改善が必要である。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本明細書で開示される様々な実施形態は、原子をアレイに配置するための方法および装置に関する。１以上の実施形態によれば、３次元空間内に原子を配置するためのシステムは、３次元空間内に複数の切り替え可能な光トラップを生成するように操作可能な光学システム、複数の切り替え可能な光トラップ内の原子を検出するように構成されたセンサ、複数の切り替え可能な光トラップ内で多数の原子を同時に動かすように操作可能なスキャナ、および複数の切り替え可能な光トラップ内の原子を原子の所望の構成に分類するために、光学システムおよびスキャナを操作するように構成された少なくとも１つのコントローラであって、光学システムおよびスキャナの操作は、複数の切り替え可能な光トラップ内の原子を検出するセンサによって生成されるセンサデータに少なくとも部分的に基づく、前記コントローラを含む。いくつかの実施形態において、光学システムは、操作時に、複数の切り替え可能な光トラップのうちの１以上の切り替え可能な光トラップを非アクティブ化する少なくとも１つの空間光変調器（ＳＬＭ）を含むことができる。いくつかの実施形態において、少なくとも１つのコントローラは、少なくとも１つのＳＬＭを操作して、１以上の切り替え可能な光トラップをアクティブ化または非アクティブ化するようにさらに構成することができる。特定の実施形態において、光学システムは、光学システムによって生成される切り替え可能な光トラップのアレイよりも浅いトラップポテンシャルを有する、３次元空間内に複数の静的光トラップを生成するように操作可能な第２の空間光変調器（ＳＬＭ）をさらに含むことができる。いくつかの実施形態において、静的光トラップのアレイは、３次元空間内の２次元平面において規則的間隔のアレイを形成することができる。特定の実施形態において、センサは、光学カメラを含むことができる。いくつかの実施形態において、原子の所望の構成は、最密構成であることができる。いくつかの実施形態において、少なくとも１つのコントローラは、センサによって生成されたセンサデータを受信する、およびセンサからセンサデータをさらに受信することなく、複数の操作を実行するために光学システムとスキャナを操作し、複数の操作のそれぞれにおいて、複数の原子が３次元空間内で動かされることができる。特定の実施形態において、複数の切り替え可能な光トラップは、規則的間隔のｎ位置アレイに配置されることができる。いくつかの実施形態において、少なくとも１つのコントローラは、センサによって生成されたセンサデータに基づいて、切り替え可能な光トラップのアレイ内に捕捉された複数の原子のそれぞれを動かして、原子を規則的間隔のｎ位置アレイ内の所望の構成に分類するいくつかの位置を決定する、および複数の原子のそれぞれについて決定されたいくつかの位置に基づいて、スキャナを使用して、複数の原子を３次元空間の初期位置から３次元空間の最密位置まで動かす、一連の操作を生成するように構成されることができる。これらの実施形態の特定のものにおいて、一連の操作のうちの少なくとも１つの操作中に、複数の原子のうちの少なくとも２つがスキャナを使用して同時に動かされることができる。これらの実施形態のいくつかにおいて、複数の原子のそれぞれのいくつかの位置は、２進数で表され、少なくとも１つのコントローラが、最下位ビットから最上位ビットまでの２進数のそれぞれのビットを、ビットが１であるかゼロであるかに基づいて原子を動かす命令または動かさない命令として解釈することにより、複数の原子のそれぞれの原子に対して、一連の操作を生成するように構成される。これらの実施形態の特定のものにおいて、少なくとも１つのコントローラは、スキャナを使用して複数の原子のそれぞれの原子ｌを動かすためのいくつかの位置ｄ（ｌ）を決定し、原子を所望の構成に分類する、複数の原子のそれぞれについて決定されたいくつかの位置ｄ（ｌ）をｍビットの２進数として表す、ここでｍ＝ｒｏｕｎｄ（ｌｏｇ_２（ｎ－１））、スキャナを操作して、それぞれの原子ｌをいくつかの位置ｄ_ｌ，ｋ＝ａ_ｌ，ｋ２^ｋだけ動かす、ここで、ａ_ｌ，ｋ∈｛０，１｝は、それぞれの原子ｌの２進数のビットｋ、およびそれぞれの原子ｌの移動をｍ回繰り返し、ｋ＝０からｋ＝ｋ＋１ずつ毎回インクリメントするように構成されることができる。

【0007】

複数の切り替え可能な光トラップが規則的間隔のｎ位置アレイに配置される特定の他の実施形態において、少なくとも１つのコントローラが、センサによって生成されたセンサデータに基づいて、切り替え可能な光トラップのアレイ内に捕捉された複数の原子のそれぞれを動かすためのいくつかの位置を決定し、原子を規則的間隔のｎ位置アレイ内の所望の構成に分類する、および、複数の原子のそれぞれについて決定されたいくつかの位置に基づいて、複数の原子がスキャナを使用して３次元空間内の最密位置から３次元空間内のターゲット位置に動かされる一連の操作を生成するように構成されることができる。これらの実施形態のいくつかにおいて、一連の操作の少なくとも１つの操作中に、複数の原子のうちの少なくとも２つが、スキャナを使用して同時に動かされる。これらの実施形態の特定のものにおいて、複数の原子のそれぞれのいくつかの位置が、２進数で表されることができ、少なくとも１つのコントローラが、最上位ビットから最下位ビットまでの２進数のそれぞれのビットを、ビットが１であるかゼロであるかに基づいて原子を動かす命令または動かさない命令として解釈することにより、複数の原子のそれぞれの原子に対して、一連の操作を生成するように構成されることができる。これらの実施形態のいくつかにおいて、少なくとも１つのコントローラが、スキャナを使用して複数の原子のそれぞれの原子ｌを動かすためのいくつかの位置ｆ（ｌ）を決定し、原子を規則的間隔のｎ位置アレイ内の所望の構成に分類する、複数の原子のそれぞれについて決定されたいくつかの位置ｆ（ｌ）をｍビットの２進数として表す、ここでｍ＝ｒｏｕｎｄ（ｌｏｇ_２（ｎ－１））、スキャナを操作して、それぞれの原子ｌをいくつかの位置ｆ_ｌ，ｋ＝ａ_ｌ，ｋ２^ｋだけ動かす、ここで、ａ_ｌ，ｋ∈｛０，１｝は、それぞれの原子ｌの２進数のビットｋ、およびそれぞれの原子ｌの移動を繰り返し、ｋ＝０まで毎回デクリメントするように構成されることができる。

【0008】

複数の切り替え可能な光トラップが規則的間隔のｎ位置アレイに配置されるいくつかの他の実施形態において、少なくとも１つのコントローラは、センサによって生成されたセンサデータに基づいて、切り替え可能な光トラップのアレイ内に捕捉された複数の原子のそれぞれを動かすためのいくつかの位置を決定し、原子を規則的間隔のｎ位置アレイ内の所望の構成に分類する、および、複数の原子のそれぞれについて決定されたいくつかの位置に基づいて、複数の原子がスキャナを使用して３次元空間内の初期位置から３次元空間内のｎ位置アレイよりも高い分解能を有する、切り替え可能な高解像度光トラップの規則的間隔のｈ位置アレイ内のターゲット位置に動かされる一連の操作を生成するように構成されることができる。これらの実施形態の特定のものにおいて、一連の操作の少なくとも１つの操作中に、複数の原子のうちの少なくとも２つが、スキャナを使用して同時に動かされることができる。これらの実施形態のいくつかにおいて、複数の原子のそれぞれのいくつかの位置は、２進数で表されることができ、少なくとも１つのコントローラは、最下位ビットから最上位ビットまでの２進数のそれぞれのビットを、ビットが１であるかゼロであるかに基づいて原子を動かす命令または動かさない命令として解釈することにより、複数の原子のそれぞれの原子に対して、一連の操作を生成するように構成されることができる。これらの実施形態の特定のものにおいて、少なくとも１つのコントローラは、スキャナを使用して複数の原子のそれぞれの原子ｌを動かすためのいくつかの位置ｇ（ｌ）を決定し、原子を規則的間隔のｈ位置アレイ内の所望の構成に分類する、複数の原子のそれぞれについて決定されたいくつかの位置ｇ（ｌ）をｕビットの２進数として表す、ここでｕ＝ｒｏｕｎｄ（ｌｏｇ_２（ｈ－１））、スキャナを操作して、それぞれの原子ｌをいくつかの位置ｇ_ｌ，ｋ＝ａ_ｌ，ｋ２^ｋだけ動かす、ここで、ａ_ｌ，ｋ∈｛０，１｝は、それぞれの原子ｌの２進数のビットｋ、および、それぞれの原子ｌの移動をｕ回繰り返し、ｋ＝０からｋ＝ｋ＋１ずつ毎回インクリメントするように構成されることができる。

【0009】

１以上の実施形態に従って、３次元空間内に原子を配置するための方法は、光学システムを操作して、３次元空間内に複数の切り替え可能な光トラップを生成すること、センサを使用し、複数の切り替え可能な光トラップ内に補足された原子を検出すること、スキャナを操作して、複数の切り替え可能な光トラップ内で多数の原子を同時に動かすこと、および、少なくとも１つのコントローラを使用して、複数の切り替え可能な光トラップ内の原子を原子の所望の構成に分類するために、光学システムおよびスキャナを操作し、光学システムおよびスキャナの操作は、複数の切り替え可能な光トラップ内の原子を検出するセンサによって生成されるセンサデータに少なくとも部分的に基づくことを含む。いくつかの実施形態において、方法は、複数の切り替え可能な光トラップのうちの１以上の切り替え可能な光トラップを非アクティブ化する少なくとも１つの空間光変調器（ＳＬＭ）を操作することをさらに含むことができる。特定の実施形態において、方法は、第２の空間光変調器（ＳＬＭ）を操作して、光学システムによって生成される複数の切り替え可能な光トラップよりも浅いトラップポテンシャルを有する、３次元空間内の静的光トラップの規則的間隔のｎ位置アレイを生成することをさらに含むことができる。これらの実施形態のいくつかにおいて、静的光トラップのアレイは、３次元空間内の２次元平面において規則的間隔のアレイを形成することができる。特定の実施形態において、センサは、光学カメラを含むことができる。いくつかの実施形態において、所望の構成は最密構成であることができる。特定の実施形態において、スキャナは、ミラー検流計および焦点調節可能レンズを含むことができる。いくつかの実施形態において、方法は、少なくとも１つのコントローラによって、センサによって生成されたセンサデータを受信すること、および、少なくとも１つのコントローラによって、センサからセンサデータをさらに受信することなく、複数の操作を実行するために光学システムとスキャナを操作し、複数の操作のそれぞれにおいて、複数の原子が３次元空間内で動かされることさらに含むことができる。特定の実施形態において、複数の切り替え可能な光トラップは、規則的間隔のｎ位置アレイに配置されることができる。これらの実施形態のいくつかにおいて、方法は、少なくとも１つのコントローラによって、センサによって生成されたセンサデータに基づいて、切り替え可能な光トラップのアレイ内に捕捉された複数の原子のそれぞれを動かすためのいくつかの位置を決定し、原子を規則的間隔のｎ位置アレイ内の所望の構成に分類すること、および、少なくとも１つのコントローラによって、複数の原子のそれぞれについて決定されたいくつかの位置に基づいて、複数の原子がスキャナを使用して３次元空間内の初期位置から３次元空間内の最密位置に動かされる一連の操作を生成することをさらに含むことができる。これらの実施形態の特定のものにおいて、一連の操作のうちの少なくとも１つの操作中に、複数の原子のうちの少なくとも２つが、スキャナを使用して同時に動かされることができる。これらの実施形態のいくつかにおいて、複数の原子のそれぞれのいくつかの位置は、２進数で表されることができ、方法は、少なくとも１つのコントローラによって、最下位ビットから最上位ビットまでの２進数のそれぞれのビットを、ビットが１であるかゼロであるかに基づいて原子を動かす命令または動かさない命令として解釈することにより、複数の原子のそれぞれの原子に対して、一連の操作を生成することをさらに含むことができる。これらの実施形態の特定のものにおいて、方法は、少なくとも１つのコントローラによって、スキャナを使用して複数の原子のそれぞれの原子ｌを動かすためのいくつかの位置ｄ（ｌ）を決定し、原子を所望の構成に分類する、複数の原子のそれぞれについて決定されたいくつかの位置ｄ（ｌ）をｍビットの２進数として表す、ここでｍ＝ｒｏｕｎｄ（ｌｏｇ_２（ｎ－１））、スキャナを操作して、それぞれの原子ｌをいくつかの位置ｄ_ｌ，ｋ＝ａ_ｌ，ｋ２^ｋだけ動かす、ここで、ａ_ｌ，ｋ∈｛０，１｝は、それぞれの原子ｌの２進数のビットｋ、および、それぞれの原子ｌの移動をｍ回繰り返し、ｋ＝０からｋ＝ｋ＋１ずつ毎回インクリメントすることをさらに含むことができる。

【0010】

複数の切り替え可能な光トラップが規則的間隔のｎ位置アレイに配置される特定の他の実施形態において、方法は、少なくとも１つのコントローラによって、センサによって生成されたセンサデータに基づいて、切り替え可能な光トラップのアレイ内に捕捉された複数の原子のそれぞれを動かすためのいくつかの位置を決定し、原子を規則的間隔のｎ位置アレイ内の所望の構成に分類する、および、複数の原子のそれぞれについて決定されたいくつかの位置に基づいて、複数の原子がスキャナを使用して３次元空間内の最密位置から３次元空間内のターゲット位置に動かされる一連の操作を生成することをさらに含むことができる。これらの実施形態のいくつかにおいて、一連の操作の少なくとも１つの操作中に、複数の原子のうちの少なくとも２つが、スキャナを使用して同時に動かされることができる。これらの実施形態の特定のものにおいて、複数の原子のそれぞれのいくつかの位置は、２進数で表されることができ、少なくとも１つのコントローラは、最上位ビットから最下位ビットまでの２進数のそれぞれのビットを、ビットが１であるかゼロであるかに基づいて原子を動かす命令または動かさない命令として解釈することにより、複数の原子のそれぞれの原子に対して、一連の操作を生成するように構成されることができる。これらの実施形態のいくつかにおいて、方法は、少なくとも１つのコントローラによって、スキャナを使用して複数の原子のそれぞれの原子ｌを動かすためのいくつかの位置ｆ（ｌ）を決定し、原子を規則的間隔のｎ位置アレイ内の所望の構成に分類する、複数の原子のそれぞれについて決定されたいくつかの位置ｆ（ｌ）をｍビットの２進数として表す、ここでｍ＝ｒｏｕｎｄ（ｌｏｇ_２（ｎ－１））、スキャナを操作して、それぞれの原子ｌをいくつかの位置ｆ_ｌ，ｋ＝ａ_ｌ，ｋ２^ｋだけ動かす、ここで、ａ_ｌ，ｋ∈｛０，１｝は、それぞれの原子ｌの２進数のビットｋ、および、それぞれの原子ｌの移動を繰り返し、ｋ＝０まで毎回デクリメントすることをさらに含むことができる。

【0011】

複数の切り替え可能な光トラップが規則的間隔のｎ位置アレイに配置されるいくつかの他の実施形態において、方法は、少なくとも１つのコントローラによって、センサによって生成されたセンサデータに基づいて、切り替え可能な光トラップのアレイ内に捕捉された複数の原子のそれぞれを動かすためのいくつかの位置を決定し、原子を規則的間隔のｎ位置アレイ内の所望の構成に分類する、および、複数の原子のそれぞれについて決定されたいくつかの位置に基づいて、複数の原子がスキャナを使用して３次元空間内の初期位置から３次元空間内のｎ位置アレイよりも高い分解能を有する、切り替え可能な高解像度光トラップの規則的間隔のｈ位置アレイ内のターゲット位置に動かされる一連の操作を生成することをさらに含むことができる。これらの実施形態の特定のものにおいて、一連の操作の少なくとも１つの操作中に、複数の原子のうちの少なくとも２つが、スキャナを使用して同時に動かされることができる。これらの実施形態のいくつかにおいて、複数の原子のそれぞれのいくつかの位置は、２進数で表されることができ、少なくとも１つのコントローラは、最下位ビットから最上位ビットまでの２進数のそれぞれのビットを、ビットが１であるかゼロであるかに基づいて原子を動かす命令または動かさない命令として解釈することにより、複数の原子のそれぞれの原子に対して、一連の操作を生成するように構成されることができる。これらの実施形態の特定のものにおいて、方法は、少なくとも１つのコントローラによって、スキャナを使用して複数の原子のそれぞれの原子ｌを動かすためのいくつかの位置ｇ（ｌ）を決定し、原子を規則的間隔のｈ位置アレイ内の所望の構成に分類する、複数の原子のそれぞれについて決定されたいくつかの位置ｇ（ｌ）をｕビットの２進数として表す、ここでｕ＝ｒｏｕｎｄ（ｌｏｇ_２（ｈ－１））、スキャナを操作して、それぞれの原子ｌをいくつかの位置ｇ_ｌ，ｋ＝ａ_ｌ，ｋ２^ｋだけ動かす、ここで、ａ_ｌ，ｋ∈｛０，１｝は、それぞれの原子ｌの２進数のビットｋ、および、それぞれの原子ｌの移動をｕ回繰り返し、ｋ＝０からｋ＝ｋ＋１ずつ毎回インクリメントすることをさらに含むことができる。

【0012】

１以上の実施形態において、少なくとも１つの非一時的なコンピュータ可読媒体は、命令を含み、該命令は、実行されると、３次元空間内に配置された複数の光トラップ内に原子を配置する方法を実行し、該方法は、光学システムを操作して、３次元空間内に複数の切り替え可能な光トラップを生成すること、センサを使用し、複数の切り替え可能な光トラップ内に補足された原子を検出すること、スキャナを操作して、複数の切り替え可能な光トラップ内で多数の原子を同時に動かすこと、および、少なくとも１つのコントローラを使用して、切り替え可能な光トラップのアレイ内の原子を原子の所望の構成に分類するために、光学システムおよびスキャナを操作し、光学システムおよびスキャナの操作は、複数の切り替え可能な光トラップ内の原子を検出するセンサによって生成されるセンサデータに少なくとも部分的に基づくことを含む。この方法のさらなる実施形態は、上述のように実行することができる。

【0013】

１以上の実施形態において、３次元空間内に原子を配置するためのシステムは、３次元空間内に光トラップの規則的間隔のｎ位置アレイを形成する光格子を生成するように操作可能な第１の光学システム、規則的間隔のｎ位置アレイ内に切り替え可能な光トラップのアレイを生成するように操作可能な第２の光学システム、光トラップの規則的間隔のｎ位置アレイ内に捕捉された原子を検出するように構成されたセンサ、光格子の位相を調整して、光トラップの規則的間隔のｎ位置アレイ内に捕捉された多数の原子を同時に動かすように操作可能な位相変調器、および、規則的間隔のｎ位置アレイ内の原子を原子の所望の構成に分類するために、光学システムおよび位相変調器を操作するように構成された少なくとも１つのコントローラであって、光学システムおよび位相変調器の操作は、規則的間隔のｎ位置アレイ内に補足された原子を検出するセンサによって生成されるセンサデータに少なくとも部分的に基づく、前記コントローラを含む。

【0014】

１以上の実施形態に従って、３次元空間内に配置された複数の光トラップ内に原子を配置する方法は、少なくとも１つのプロセッサを使用して、３次元空間内の初期位置から３次元空間内のターゲット位置まで複数の原子が複数の光トラップ間で動かされる一連の操作を生成し、一連の操作の少なくとも１つの操作中に、複数の原子のうちの少なくとも２つが、複数の光トラップのトラップ間で同時に動かされること、および、スキャナを操作して、生成された一連の操作に従って、複数の光トラップのトラップ間で複数の原子のうちの１以上を動かすことを含む。いくつかの実施形態において、方法は、センサを使用して、複数の光トラップ内の複数の原子の位置を表すセンサデータを生成すること、および、複数の光トラップ内の複数の原子の位置を表すさらなるセンサデータを生成することなく、一連の操作を実行するためにスキャナを操作することをさらに含むことができる。これらの実施形態の特定のものにおいて、センサデータは、複数の光トラップのどれが複数の原子の１つを含有するかを示すことができる。いくつかの実施形態において、複数の光トラップは、３次元空間において規則的間隔のアレイを生成することができる。特定の実施形態において、複数の光トラップは、３次元空間内の２次元平面において規則的間隔のアレイを生成することができる。いくつかの実施形態において、方法は、少なくとも１つの空間光変調器（ＳＬＭ）を操作することによって、複数の光トラップを生成することをさらに含むことができる。特定の実施形態において、スキャナは、複数の光トラップよりも低いポテンシャルを有する複数の可動トラップを３次元空間内に生成するように構成されてることができる。いくつかの実施形態において、方法は、センサによって生成されたセンサデータに基づいて、少なくとも１つのプロセッサによって、複数の光トラップのトラップ間で複数の原子のそれぞれを動かして、原子を所望の構成に分類するためのいくつかの位置を決定することさらに含むことができる。これらの実施形態の特定のものにおいて、方法は、少なくとも１つのプロセッサを使用して、複数の原子のそれぞれについて決定されたいくつかの位置を２進数として表現すること、および、少なくとも１つのプロセッサを使用して、複数の原子のそれぞれの原子について、一連の操作を生成し、最下位ビットから最上位ビットまでの２進数のそれぞれのビットを、ビットが１であるかゼロであるかに基づいて、原子を動かす命令または動かさない命令として解釈することをさらに含むことができる。いくつかの実施形態において、複数の光トラップは、３次元空間において規則的間隔のｎ位置アレイを生成することができ、方法は、少なくとも１つのプロセッサを使用して：複数の原子のそれぞれの原子ｌを複数の光トラップのトラップ間で動かすためのいくつかの位置ｄ（ｌ）を決定して、原子を所望の構成に分類する、複数の原子のそれぞれについて決定されたいくつかの位置ｄ（ｌ）をｍビットの２進数として表す、ここでｍ＝ｒｏｕｎｄ（ｌｏｇ_２（ｎ－１））、スキャナを操作して、それぞれの原子ｌをいくつかの位置ｄ_ｌ，ｋ＝ａ_ｌ，ｋ２^ｋだけ動かす、ここで、ａ_ｌ，ｋ∈｛０，１｝は、それぞれの原子ｌの２進数のビットｋ、および、それぞれの原子ｌの移動をｍ回繰り返し、ｋ＝０からｋ＝ｋ＋１ずつ毎回インクリメントすることを含むことができる。これらの実施形態の特定のものにおいて、所望の構成は最密構成であることができる。

【0015】

１以上の実施形態において、少なくとも１つの非一時的なコンピュータ可読媒体は、実行されると、３次元空間内に配置された複数の光トラップ内に原子を配置する方法を実行し、該方法は、少なくとも１つのプロセッサを使用して、３次元空間内の初期位置から３次元空間内のターゲット位置まで複数の原子が複数の光トラップ間で動かされる一連の操作を生成し、一連の操作の少なくとも１つの操作中に、複数の原子のうちの少なくとも２つが、複数の光トラップのトラップ間で同時に動かされること、および、スキャナを操作して、生成された一連の操作に従って、複数の光トラップのトラップ間で複数の原子のうちの１以上を動かすことを含む。

【0016】

本明細書に記載のシステムおよび方法を使用してアレイ内に原子を配置することは、原子の数に対数的に比例する時間内に、３Ｄ平面に数多くの原子（たとえば、数百万の原子）を配置できるため、多くの利点がある。

【0017】

前述の装置および方法の実施形態は、上述の、または以下でさらに詳細に説明される態様、特徴、および動作の任意の適切な組み合わせで実装され得る。本教示のこれらおよび他の態様、実施形態、および特徴は、添付の図面と併せて以下の説明からより完全に理解することができる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

前述のことは、添付の図面に示されているように、例示的な実施形態の以下のより具体的な説明から明らかになるであろう。図面は必ずしも縮尺通りではなく、代わりに実施形態を示すことに重点が置かれている。

【0019】

【図1】１以上の実施形態に従って原子をアレイに配置する方法のフローチャートを示す。

【0020】

【図2】図２は、１以上の実施形態による最密配列で原子を配置することを概略的に示す図である。

【0021】

【図3】図３は、１以上の実施形態による、原子の複数の列を最密配列に配置することを概略的に示す図である。

【0022】

【図4】図４は、１以上の実施形態による、原子の複数の行を最密配列で配置することを概略的に示す。

【0023】

【図5A】図５Ａは、１以上の実施形態による、３次元空間内の原子の複数の行を最密配列で配置することを概略的に示す図である。

【図5B】図５Ｂは、１以上の実施形態による、３次元空間内の原子の複数の行を最密配列で配置することを概略的に示す図である。

【図5C】図５Ｃは、１以上の実施形態による、３次元空間内の原子の複数の行を最密配列で配置することを概略的に示す図である。

【図5D】図５Ｄは、１以上の実施形態による、３次元空間内の原子の複数の行を最密配列で配置することを概略的に示す図である。

【図5E】図５Ｅは、１以上の実施形態による、３次元空間内の原子の複数の行を最密配列で配置することを概略的に示す図である。

【図5F】図５Ｆは、１以上の実施形態による、３次元空間内の原子の複数の行を最密配列で配置することを概略的に示す図である。

【0024】

【図6A-D】図６Ａ－Ｄは、１以上の実施形態による、原子の複数の列を最密アレイに配置し、それらをターゲットパターンにアンパッキングすることを概略的に示す図である。

【0025】

【図7A】図７Ａは、１以上の実施形態による、原子の複数の列をターゲットパターンにアンパッキングすることを概略的に示す図である。

【図7B】図７Ｂは、１以上の実施形態による、原子の複数の列をターゲットパターンにアンパッキングすることを概略的に示す図である。

【0026】

【図8A-C】図８Ａ－Ｃは、１以上の実施形態による、ターゲットパターンからより高解像度のターゲットパターンへの原子のアンパッキングを概略的に示す図である。

【図8D-E】図８Ｄ－Ｅは、１以上の実施形態による、ターゲットパターンからより高解像度のターゲットパターンへの原子のアンパッキングを概略的に示す図である。

【0027】

【図9A】図９Ａは、１以上の実施形態による、原子をアレイに配置するためのシステムを概略的に示す。

【0028】

【図9B】図９Ｂは、１以上の実施形態による、アレイ内に原子を配置するための別のシステムを概略的に示す。

【0029】

【図9C】図９Ｃは、１以上の実施形態による、アレイ内に原子を配置するためのさらに別のシステムを概略的に示す。

【0030】

【図9D】図９Ｄは、１以上の実施形態による、原子をアレイに配置するためのシステムのための一連のビームスプリッタを概略的に示す。

【0031】

【図9E】図９Ｅは、１以上の実施形態による、原子をアレイに配置するためのシステムの制御システムおよびデータフローを概略的に示す。

【0032】

【図10A】図１０Ａは、１以上の実施形態による、光格子を含むアレイ内に原子を配置するためのシステムを概略的に示す。

【0033】

【図10B】図１０Ｂは、１以上の実施形態による、原子をアレイ状に配置するための光格子を概略的に示す。

【0034】

【図11】図１１は、１以上の実施形態による、静的および動的双極子トラップ内の原子のエネルギー図を概略的に示す。

【0035】

【図12A-D】図１２Ａ－Ｄは、１以上の実施形態による、原子をより深い静的双極子トラップのターゲットパターンに配置することを概略的に示す図である。

【0036】

【図13】図１３は、１以上の実施形態による組合せ最適化問題の４つのグラフアンサンブルを概略的に示す。

【0037】

【図14】図１４は、１以上の実施形態による組み合わせ最適化問題のグラフアンサンブルの実験／計算の４つの結果を概略的に示す。

【発明を実施するための形態】

【0038】

上述のように、本明細書で開示される様々な実施形態は、原子をアレイ状に配置するための方法および装置に関する。本明細書に記載のシステムおよび方法は、低温原子の非常に大きなアレイ（例えば、１００以上）の生成を可能にする。中性原子は、大規模な量子システムの構成要素として機能する。それらは環境から十分に隔離できるため、長寿命の量子メモリが可能になる。内部状態および運動状態の初期化、制御、および読み出しは、過去４０年間に開発された共鳴法によって達成される。単一原子の光学制御を維持しながら、数多くの同一の原子を含むアレイを迅速に組み立てることができる。これらのボトムアップアプローチは、蒸発冷却によって調製された超低温原子を搭載した光学格子を含む方法を補完し、一般に数マイクロメートルの原子分離をもたらす。原子間の制御可能な相互作用を導入して、これらのアレイを量子シミュレーションと量子情報処理に利用できる。これは、強力な長距離相互作用を示す高度に励起されたリュードベリ状態（Rydberg states）へのコヒーレント結合によって実現できる。このアプローチは、高速マルチキュービット（qubit）量子ゲート、イジング型スピンモデルの量子シミュレーション、メゾスコピックアンサンブルにおける集団挙動の研究など、多くの応用に強力なプラットフォームを提供する。

【0039】

１以上の実施形態に従って、図１に示されるフローチャートに図示された、３次元空間内に原子を配置するための方法１００は、光学システムを操作して、３次元空間内に複数の切り替え可能な光トラップを生成すること（１１０）、センサを使用し、複数の切り替え可能な光トラップ内に補足された原子を検出すること（１２０）、スキャナを操作して、複数の切り替え可能な光トラップ内で多数の原子を同時に動かすこと（１５０）、および、少なくとも１つのコントローラを使用して、複数の切り替え可能な光トラップ内の原子を原子の所望の構成に分類するために、光学システムおよびスキャナを操作し（１６０）、光学システムおよびスキャナの操作１６０は、複数の切り替え可能な光トラップ内の原子を検出するセンサによって生成されるセンサデータに少なくとも部分的に基づくことを含む。以下でさらに説明するように、センサは、例えば、光学カメラとすることができる。切り替え可能な光トラップは、コントローラを使用してオンとオフを切り替えることができる光トラップである。特定の実施形態において、スキャナは、以下でさらに説明するように、ミラー検流計および焦点調整可能レンズを含むことができる。方法は、少なくとも１つのコントローラによって、センサによって生成されたセンサデータを受信すること、および、少なくとも１つのコントローラによって、センサからセンサデータをさらに受信することなく、複数の操作を実行するために光学システムとスキャナを操作し、複数の操作のそれぞれにおいて、複数の原子が３次元空間内で動かされることさらに含むことができる。いくつかの実施形態において、方法は、複数の切り替え可能な光トラップのうちの１以上の切り替え可能な光トラップを非アクティブ化する少なくとも１つの空間光変調器（ＳＬＭ）を操作すること（１３０）をさらに含むことができる。非アクティブ化された切り替え可能な光トラップは、トラップされた原子を含まない光トラップであるか、または、操作（１５０）が１０μ秒から１００μ秒の範囲の時間内に完了した場合、スキャナの特定の操作中に静止したままの原子を含む光トラップであり、この操作に続いて、それぞれの切り替え可能な光トラップを再アクティブ化することにより、静止原子が再びトラップされる。代替的に、この方法は、以下でさらに説明するように、第２の空間光変調器（ＳＬＭ）を操作して、３次元空間内に、光学システムによって生成された切り替え可能な光トラップのアレイよりも浅いトラップ電位を有する静的光トラップの規則的間隔のｎ位置アレイを生成すること（１４０）をさらに含むことができる。オプションの静的光トラップは、スキャナの特定の操作中に静止原子をトラップするため、スキャナ操作のタイミング要件が緩和される。

【0040】

複数の切り替え可能な光トラップは、図２に示される９位置アレイ（すなわち、ｎ＝９）など、規則的間隔のｎ位置アレイに配置することができる。方法は、少なくとも１つのコントローラによって、センサによって生成されたセンサデータに基づいて、切り替え可能な光トラップのアレイ内に捕捉された複数の原子のそれぞれを動かすためのいくつかの位置を決定し、原子を規則的間隔のｎ位置アレイ内の所望の構成に分類すること、および、少なくとも１つのコントローラによって、複数の原子のそれぞれについて決定されたいくつかの位置に基づいて、複数の原子がスキャナを使用して３次元空間内の初期位置から３次元空間内の最密位置に動かされる一連の操作を生成することをさらに含むことができる。図２に示される例における９位置アレイ（ｎ＝９）内の５個の原子など、ｎ位置アレイ内の原子の移動は、以下：ｎ位置配列内で下から数えて原子ｌ＝１，２，３，４，５の位置ｙ（ｌ）をイメージングすること、それぞれ原子ｌが最密配列のｎ位置配列内で動かされる位置の数ｄ_ｌ＝ｙ（ｌ）－ｌを計算し、ここでｄ_ｌは表１にリストされていること、ビット数ｍを計算し、ここでｍ＝ｒｏｕｎｄ（ｌｏｇ_２（ｎ－１））、ｒｏｕｎｄ（ｘ）結果ｘを次に小さい整数に丸め、この例ではｍ＝３（９－１＝８＝２^３）となること、ｄ_ｌをｍビットの２進数として表すこと、それぞれの原子ｌをいくつかの位置ｄ_ｌ，ｋ＝ａ_ｌ，ｋ２^ｋだけ移動すること、および、ｋ＝０から毎回ｋ＝ｋ＋１ずつインクリメントしながら、それぞれの原子ｌの移動をｍ回繰り返すことを含む。このように、複数の原子のそれぞれのいくつかの位置は、２進数で表され、方法は、少なくとも１つのコントローラによって、最下位ビットから最上位ビットまでの２進数のそれぞれのビットを、ビットが１であるかゼロであるかに基づいて原子を動かす命令または動かさない命令として解釈することにより、複数の原子のそれぞれの原子に対して、一連の操作を生成することができる。図２に示されるように、ｋ＝０では、原子ｌ＝３とｌ＝４とがそれぞれ１位置（ａ_３，０＝ａ_４，０＝１、２^０＝１）ずつ移動し、ｋ＝１では、原子ｌ＝３とｌ＝４とがそれぞれ２位置（ａ_３，１＝ａ_４，１＝１、２^１＝２）ずつ移動し、そして最後に、ｋ＝２では、原子ｌ＝５だけが４位置（ａ_５，２＝１、２^２＝４）だけ移動し、これは、他のすべてのビットが０であるため、他のすべてのａ_ｌ，２＝０であるためである。いくつかの実施形態において、図１に示すｋ＝０などの少なくとも１つの操作中に、図２に示すように、一連の操作のうち、原子ｌ＝３およびｌ＝４などの複数の原子のうちの少なくとも２つが、スキャナを使用して同時に動かされる。

【表1】

【0041】

いくつかの実施形態によれば、プロセスは、図３に示されるように、複数の列に同時に適用することができ、原子ｌを表２に列挙されたいくつかの位置ｄ_ｌだけ動かす。

【表2】

【0042】

結果的な最密構成は、図４に示すように、その後、他の次元ｘ（ｌ）で最密にすることができる。以下に示すように、どの移動においても、原子ｌ＋１は原子ｌを通過したり、配列内の同じ位置を占有したり（つまり、衝突したり）しない。ｋ＝０で有限距離を移動する必要がある位置ｙ（ｌ）にある下から１番目の原子（ｌでインデックス付け）を考える。これは、図２に示される位置ｙ（ｌ）＝６でｌ＝３である。カメラ画像は、原子ｌが最密配列内の位置ｎ＜ｙ（ｌ）に距離ｄ_ｌ＝ｙ（ｌ）－ｎだけ移動しなければならないことを示しており、これは、ｄ_ｌ＝Σ_{ｋ＝０，１} ａ_ｌ，ｋ２^ｋと表すことができ、ここで、すべてのｌ、ｋに対してａ_ｌ，ｋ∈｛０，１｝である。図２の場合、その距離はｄ_３＝６－３＝３である。位置ｙ（ｌ＋１）＞ｙ（ｌ）にある次に高い原子ｌ＋１を考え、これは、距離ｄ_ｌ＋１＝ｙ（ｌ＋１）－（ｎ＋１）に渡って位置ｎ＋１に移動する必要がある。図２の場合、その距離はｄ_４＝７－４＝３である。最密配列の場合、ｎ＝１であることに注意されたい。

【0043】

ｋ＝０から開始する。

【0044】

（ａ_ｌ，ｋ，ａ_{ｌ＋１，ｋ}）には４つの可能な値がある。

【0045】

（ａ_ｌ，ｋ，ａ_{ｌ＋１，ｋ}）＝（０，０）：動きがないため、衝突はない。

【0046】

（ａ_ｌ，ｋ，ａ_{ｌ＋１，ｋ}）＝（１，１）：原子ｌとｌ＋１の両方が下に移動するため、衝突は発生しない。

【0047】

（ａ_ｌ，ｋ，ａ_{ｌ＋１，ｋ}）＝（１，０）：原子ｌだけが下に移動するため、原子ｌ＋１との衝突はなく、仮定によりｙ（ｌ）－１は占有されていないため、原子ｌには移動する余地がある。

【0048】

（ａ_ｌ，ｋ，ａ_{ｌ＋１，ｋ}）＝（０，１）：原子ｌ＋１の移動の２つの可能性を考えると：
ａ．ｙ（ｌ＋１）≦ｙ（ｌ）＋２^ｋの場合、ｋ＝０の場合、ｙ（ｌ＋１）＝ｙ（ｌ）＋１を意味し（つまり、原子ｌとｌ＋１は隣り合っており）、ｄ_ｌ＋１＝ｙ（ｌ＋１）－（ｌ＋１）＝ｙ（ｌ）＋１－ｌ－１＝ｙ（ｌ）－ｌ＝ｄ_ｌとなるため、ａ_ｌ＋１，０＝ａ_ｌ，０となり、これは（０，１）命題の矛盾となる；または
ｂ．ｙ（ｌ＋１）＞ｙ（ｌ）＋２^ｋの場合、原子ｌ＋１が移動する余地が原子ｌの上にあるため、衝突は発生しない。

【0049】

ここで、原子ｌおよびｌ＋１のｋ＝０後の新しい距離ｄ_ｌを考える。原子ｌとｌ＋１の最下位ビット（ｋ＝０ビット）だけが、それぞれａ_ｌ，０＝０とａ_{ｌ＋１，０}＝０に変更され、他のすべてのビットは変更されていないことに注意されたい。例えば、図２に示すように、ｄ_３とｄ_４は、開始時の両方の０１１（表１を参照）から、ｋ＝０の後の両方の０１０（６－４＝５－３＝２＝２^１）に変更された。

【0050】

次にｋ＝１に進む。

【0051】

ここでも、（ａ_ｌ，ｋ，ａ_{ｌ＋１，ｋ}）には４つの可能性があるが、衝突を引き起こす可能性があるのは（ａ_ｌ，１，ａ_{ｌ＋１，１}）＝（０，１）だけである。ここでも、原子ｌ＋１の移動の２つの可能性を考える。
ａ．ｙ（ｌ＋１）≦ｙ（ｌ）＋２^ｋの場合、原子ｌとｌ＋１のいずれかが隣り合っており、これは、それらの位置がｙ（ｌ＋１）＝ｙ（ｌ）＋１であることを意味し、上記のようにｄ_ｌ＋１＝ｄ_ｌになり、したがって、ａ_{ｌ＋１，１}＝ａ_ｌ，１であり、これは（０，１）命題の矛盾であるか、または、原子ｌとｌ＋１とが２^ｋより小さい数の位置で区切られていることになり、この例では、１つの位置で区切られており、つまり、そのいくつかの位置に対して原子ｌ＋１だけシフトする必要があることを意味し、つまり、下位ビットｊ＜ｋの場合、ここではｊ＝０、ａ_{ｌ＋１、ｊ＝１}であることを意味し、これは、前述のｋ＝０の後に最下位ビットが０に変化することと矛盾する。
ｂ．ｙ（ｌ＋１）＞ｙ（ｌ）＋２^ｋの場合、原子ｌ＋１が移動する余地が原子ｌの上にあるため、衝突は発生しない。

【0052】

ここで、原子ｌおよびｌ＋１のｋ＝１後の新しい距離ｄｌを考える。原子ｌとｌ＋１のｋ＝１ビットのみがａ_ｌ，１＝０に変更され、他のすべてのビットは変更されないことに注意されたい。例えば、図２に示すように、ｄ_３およびｄ_４は、ｋ＝０の後に両方とも０１０であったのから、ｋ＝１の後に両方とも０００に変化した。このプロセスは、衝突なしでｋ＝２、３、４．．に対して繰り返すことができる。

【0053】

原子を、図５Ａおよび５Ｂに示される４つの規則的間隔のｎ位置アレイ５０５、Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３、およびＺＮなどの３次元空間内の初期位置から、ｙ軸（ｎ＝８）に沿って最密位置に移動することは３つのステップを含み、図５Ｃに示すｋ＝０、図５Ｄに示すｋ＝１、および図５Ｅに示されるｋ＝２、図５Ｆに示される最密構成である。明確にするために、図５Ｂおよび５Ｆではそれぞれのｎ位置アレイ５０５における１つの原子５１０のみを標識し、明確にするために図５Ｃ～５Ｅでは１つの切り替え可能な光トラップ５２０のみを標識する。このプロセスは、図５Ａ～５Ｆに示すように、複数の列を有する複数の平面に同時に適用することができる。原子は、スキャナの後続の操作でｘ軸に沿って、また、たとえば焦点調整可能レンズの後続の操作によって選択された異なるｎ位置アレイ５０５のｙ軸に沿って最密にすることができる。

【0054】

図６Ａに示されるパターンのように、規則的間隔のｎ位置アレイ内のランダムに分散されたパターンから原子の任意の配置を生成するために、方法は、少なくとも１つのコントローラによって、センサによって生成されたセンサデータに基づいて、切り替え可能な光トラップのアレイ内に捕捉された複数の原子のそれぞれを動かすためのいくつかの位置を決定し、原子を規則的間隔のｎ位置アレイ内の所望の構成に分類すること、および、複数の原子のそれぞれについて決定されたいくつかの位置に基づいて、複数の原子がスキャナを使用して３次元空間内の最密位置から３次元空間内のターゲット位置に動かされる一連の操作を生成すること、明確にするために１つのターゲット位置６１０のみがラベル付けされている図６Ｂに示されるｎ位置アレイ内の任意のパターンを形成するために、原子ｌのターゲット位置ｔ（ｌ）を提供すること、図６Ｂに示されるように、上記で説明され、図３に示される方法を使用して、アレイを最密にすること、原子ｌの位置ｙ（ｌ）をイメージングすること、ｎ位最密配列内の上から数えること、図６Ｃに示すように、任意のパターンを形成するためにそれぞれの原子ｌがｎ位置アレイ内で動かされる位置ｆ_ｌ＝ｙ（ｌ）－ｔ（ｌ）の数を計算すること、ｆ_ｌをｍビットの２進数として表現し、ここで表３に示すように、また、図７Ａおよび７Ｂに示すように、ｍ＝ｒｏｕｎｄ（ｌｏｇ_２（ｆ_ｌ））であること、それぞれの原子ｌをいくつかの位置ｆ_ｌ，ｋ＝ａ_ｌ，ｋ２^ｋだけ移動し、ここで、ａ_ｌ，ｋ∈｛０，１｝は、それぞれの原子ｌに対するｆ_ｌの２進数表現のビットｋであり、ｋ＝ｒｏｕｎｄ（ｌｏｇ_２（ｆ_ｌ））であること、図７Ａに示す例において、ｋ＝３から開始すること、および、図６Ｄおよび７Ｂに示される任意のパターンを形成するために、ｋ＝０になるまで、毎回ｋ＝ｋ－１をデクリメントしながら、それぞれの原子ｌの移動を繰り返すことをさらに含むことができる。図６Ｃ、６Ｄ、７Ａ、および７Ｂはまた、明確にするために１つのターゲット位置６１０、７１０のみを示し、図６Ｂ～６Ｄおよび７Ａ～７Ｂにおける他のターゲット位置は破線のターゲットとして示される。このように、複数の原子のそれぞれのいくつかの位置は、２進数として表すことができ、少なくとも１つのコントローラは、複数の原子のそれぞれの原子について、最上位ビットから最下位ビットまでの２進数のそれぞれビットを、ビットが１であるかゼロであるかに基づいて、原子を動かす命令または動かさない命令として解釈する。図７Ａに示すように、一連の操作のうちの少なくとも１つの操作中に、複数の原子のうちの少なくとも２つが、スキャナを使用して同時に動かされる。このプロセスは、上で説明した規則的間隔のｎ位置アレイの３次元配置で、複数の列を持つ複数の平面に同時に適用できる。

【表3】

【0055】

方法は、センサによって生成されたセンサデータに基づいて、一定間隔のｎ位置アレイ内で原子を所望の構成に分類するために、切り替え可能な光トラップのアレイ内に捕捉された複数の原子のそれぞれを動かすためのいくつかの位置を少なくとも１つのコントローラによって決定することによって、切り替え可能な光トラップのｎ位置アレイよりも高い分解能を有する切り替え可能な光トラップのｈ位置アレイを生成すること、および、複数の原子のそれぞれについて決定された位置の数に基づいて、スキャナを使用して、３次元空間内のｎ位置アレイよりも高い解像度を有する、切り替え可能な高解像度光トラップの規則的間隔のｈ位置アレイにおいて、複数の原子を３次元空間の初期位置からターゲット位置まで移動させる一連の操作を生成することをさらに含むことができる。方法は、原子ｌを最密配列にパッキングすることから始まり、次に、上記のパッキングおよびアンパッキングのステップを使用して、図８Ａに示す低解像度の任意のパターンにそれらをアンパッキングする。次いで、方法は、図８Ａに示されるように、高解像度の任意のパターンを形成するために、原子ｌのターゲット位置ｔ２（ｌ）を提供し、ここで、１つの高解像度ターゲット位置８１０のみが明確にするためにラベル付けされ、ｎ位置アレイに基づいて（ΔＤ ｂｙ ΔＤ）サブエリア８１５を定義し、それぞれのサブエリア８１５は、水平線８２０および垂直線８３０によって画定され、明確にするために、図８Ｂではそれぞれの１つだけがラベル付けされており、それぞれのサブエリア８１５は、最大で１つの原子ｌのみを含み、図８Ｃに示されるように、高解像度の任意のパターンに一致する、より細かいグリッド間隔Δｄ（ｄ＜Ｄ）を有する高解像度のｈ位置アレイを生成する。そして方法は、図８Ｄに示す例の高解像度任意パターンを形成するために、それぞれの原子ｌがｈ位置アレイのそれぞれのサブエリア８１５内でｘ方向とｙ方向に沿って移動するいくつかの位置ｇ（ｌ）を計算すること、ｇ（ｌ）をｕ＝ｒｏｕｎｄ（ｌｏｇ_２（ｈ－１））であるｕビットの２進数として表し、それぞれの原子ｌをいくつかの位置ｇ_ｌ，ｋ＝ａ_ｌ，ｋ２^ｋだけ動かし、ここで、ａ_ｌ，ｋ∈｛０，１｝は、それぞれの原子ｌに対するｇ（ｌ）の２進数表現のビットｋであること、および、ｋ＝０から毎回ｋ＝ｋ＋１ずつインクリメントしながら、それぞれの原子ｌの移動をｋ回繰り返すことを含む。ｘ方向およびｙ方向に沿った４つのサブエリアに高解像度の任意パターンを形成する例を図８Ｅに示す。このように、複数の原子のそれぞれの位置の数は、２進数として表すことができ、少なくとも１つのコントローラは、複数の原子のそれぞれの原子について、最下位ビットから最上位ビットまでの２進数のそれぞれのビットを、ビットが１であるかゼロであるかに基づいて、原子を動かす命令または動かさない命令として解釈するように構成することができる。図８Ｅに示すように、一連の操作の少なくとも１つの操作中に、複数の原子のうちの少なくとも２つが、スキャナを使用して同時に動かされる。このプロセスは、上記の規則的間隔のｎ位置アレイの３次元配置と同様に、規則的間隔のｈ位置アレイの３次元配置で複数の列を持つ複数の平面に同時に適用できる。このプロセスは、上記の規則的間隔のｎ位置アレイの３次元配置と同様に、規則的間隔のｈ位置アレイの３次元配置で複数の列を持つ複数の平面に同時に適用できる。

【0056】

３次元空間内に原子を配置するためのシステム９００において１以上の実施形態に従って上述の方法を実施するために、図９Ａ、９Ｂ、および９Ｃに示されるシステム９００は、原子蒸気セル９４５内の３次元空間９４０内に複数の切り替え可能な光トラップ９２５を生成するように操作可能な光学システム９２０を含む。光学システム９２０は、複数の切り替え可能な光トラップ９２５を生成することができる、強度または位相ＳＬＭなどの様々なタイプの空間光変調器（ＳＬＭ）９２０を備えることができる。適切なＳＬＭ９２０は、典型的には高いオンオフコントラストを有する数百万のピクセルを有するデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）を含み、それによって多数のビーム９２５を生成する。いくつかの実施形態において、適切なＳＬＭ９２０は、強誘電性液晶（ＦＬＣ）ＳＬＭ、液晶オンシリコン（ＬＣＯＳ）ＳＬＭ、多重量子ウェルアレイ、変形可能なマイクロミラーアレイ、表面弾性波（ＳＡＷ）トランスデューサのアレイ、音響光学偏向器（ＡＯＤ）のアレイ、光磁気ＳＬＭ、または調整可能なマイクロキャビティアレイであることができる。適切なＳＬＭは、Digital Light Innovations (e.g., Model V-7001, Austin TX), Ajile Light Industries (e.g., Model AJD-4500, Ottawa, Ontario, CA), Hamamatsu (e.g., Model X13138, Bridgewater NJ), Santec (e.g., Model SLM-100, Hackensack NJ), Holoeye Photonics (e.g., Model GAEA-2, Berlin Germany), or Meadowlark Optics (e.g., 1920x1152 SLM, Frederick, CO)から入手することができる。

【0057】

いくつかの実施形態において、光学システム９２０は、以下でさらに説明するように、入力レーザービームを受け取るように構成される。他の実施形態において、２０２０年２月２１日に出願された「LARGE-SCALE UNIFORM OPTICAL FOCUS ARRAY GENERATION WITH A PHASE SPATIAL LIGHT MODULATOR」というタイトルのＰＣＴ出願番号PCT/US2020/019309に記載されているように、例えば、マイクロレンズアレイ、回折光学システム、または追加の位相ＳＬＭ（図示せず）を通してレーザービームを誘導することによって、静的光焦点アレイが生成され、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。静的光焦点アレイは、個々の光焦点をオンおよびオフに切り替えて切り替え可能な光トラップ９２５を生成するＳＬＭ９２０上に結像され、それによって限られたレーザー出力のより効率的な使用を可能にする。

【0058】

システム９００は、複数の切り替え可能な光トラップ９２５内の原子を検出するように構成されたセンサ９３０をさらに含む。適切なセンサ９３０は、複数の切り替え可能な光トラップ９２５内の原子を検出することができる単一ピクセルおよびイメージング検出器を含む、いくつかの光検出器９３０を含む。集束されたレーザービームが３次元空間９４０を横切って走査されるレーザー走査イメージング技術は、単一画素光検出器９３０と共に使用することができる。代替的に、光検出器アレイ９３０（例えば、アバランシェフォトダイオードアレイ）を使用して、複数の切り替え可能な光トラップ９２５内の原子を検出することができる。いくつかの実施形態では、光学カメラ９３０（例えば、ＥＭ－ＣＣＤまたはＣＭＯＳ光学カメラ）を使用して、複数の切り替え可能な光トラップ９２５内の原子を検出することができる。

【0059】

適切なシステム９００は、複数の切り替え可能な光トラップ９２５内で複数の原子を同時に動かすように操作可能なスキャナ９９０をさらに含む。特定の実施形態では、スキャナ９９０は、音響光学偏向器（ＡＯＤ）、電気光学偏向器（ＥＯＤ）、焦点調整可能レンズ、またはミラー検流計であることができる。適切なスキャナは、Cambridge Technology（(Lightning II Digital、Bedford MA など)、または（Conoptics （Model 311A、Danbury CT など) から入手できる。

【0060】

システム９００はさらに、以下でさらに説明するように、光学システム９２０およびスキャナ９９０を操作して、複数の切り替え可能な光トラップ９２５内の原子を原子の所望の構成に分類するように構成された、少なくとも１つのコントローラ９０５を含む。光学システム９２０およびスキャナ９９０の操作は、複数の切り替え可能な光トラップ９２５内の原子を検出するセンサ９３０によって生成されるセンサデータに少なくとも部分的に基づく。

【0061】

１以上の実施形態によれば、図９Ｂおよび９Ｃに示されるように、光学システム９２０は、レーザービーム９１０が、本明細書ではポッケルスセルとも呼ばれる電気光学（ＥＯ）偏光回転子９１５を通過した後に、第１の空間光変調器（ＳＬＭ）９２０からのｓ偏光レーザービーム９１０を反射することによって生成された、多数のビームの強度を制御することによって、複数の切り替え可能な光トラップ９２５を生成する。光学システム９２０は、複数の切り替え可能な光トラップ９２５を生成することができる、強度または位相ＳＬＭなどの様々なタイプの空間光変調器（ＳＬＭ）９２０を含むことができる。適切なＳＬＭ９２０は、典型的には高いオンオフコントラストを有する数百万のピクセルを有するデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）を含み、それによって多数のビーム９２５を生成する。いくつかの実施形態では、適切なＳＬＭ９２０は、強誘電性液晶（ＦＬＣ）ＳＬＭ、液晶オンシリコン（ＬＣＯＳ）ＳＬＭ、多重量子ウェルアレイ、変形可能なマイクロミラーアレイ、表面弾性波（ＳＡＷ）トランスデューサのアレイ、音響光学偏向器（ＡＯＤ）のアレイ、磁気光学ＳＬＭ、または調整可能なマイクロキャビティアレイであることができる。適切なＳＬＭは、上記のメーカーから入手できる。ビームのアレイは、上流のＥＯ変調器９１５によって制御される比率で、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）９５０によって分割される。ｓ偏光アーム９２５は、スキャナ９９０によって偏向され、ビームスプリッタ９７０から反射された後、原子蒸気セル９４５内の３次元空間９４０上に結像される。任意選択で、ビームのｐ偏光アーム９８５は、第２のＳＬＭ９８０から反射され、ミラー９６０によって反射され、原子蒸気セル９４５内の３次元空間９４０上に結像される。以下でさらに説明するように、第２のＳＬＭ９８０の後に少なくとも１つのビームスプリッタステージが続き、第２のＳＬＭ９８０によって作成された静的光トラップのｎ位置アレイのコピーを作成することができる。いくつかの実施形態では、第２のＳＬＭ９８０は強度ＳＬＭであることができる。他の実施形態では、第２のＳＬＭ９８０は位相ＳＬＭであることができる。特定の実施形態では、第２のＳＬＭ９８０は、回折光学素子（ＤＯＥ）、強誘電性液晶（ＦＬＣ）ＳＬＭ、液晶オンシリコン（ＬＣＯＳ）ＳＬＭ、多重量子ウェルアレイ、変形可能なマイクロミラーアレイ、表面弾性波（ＳＡＷ）トランスデューサのアレイ、音響光学偏向器（ＡＯＤ）のアレイ、磁気光学ＳＬＭ、または調整可能なマイクロキャビティアレイであることができる。適切なＳＬＭは、上記のメーカーから入手できる。特定の実施形態では、スキャナ９９０は、音響光学偏向器（ＡＯＤ）、電気光学偏向器（ＥＯＤ）、焦点調整可能レンズ、またはミラー検流計であることができる。適切なスキャナは、上記のメーカーから入手できる。ビーム９２５および９８５は、原子蒸気セル９４５内の低温原子のクラウドに向けられ、それらに原子をランダムにロードする。例えば光学カメラ９３０などのセンサ９３０は、３次元空間９４０を画像化して、第１のＳＬＭ９２０によって作成された切り替え可能な光トラップ９２５のｎ位置アレイ内の単一原子を含むトラップを見つけ、スキャナ９９０は、以下でさらに説明するように、いくつかの位置だけ原子を移動させる。任意選択で、第２のＳＬＭ９８０は、ｎ位置アレイの静的双極子トラップ９８５内に原子をトラップする。以下でさらに説明するように、静的双極子トラップ９８５は、第１のＳＬＭ９２０によって生成される切り替え可能な光トラップのアレイよりも浅いトラップ電位を有する。分かりやすくするために、図９Ｂおよび９Ｃでは、切り替え可能な９２５トラップビームおよび静的９８５トラップビームのそれぞれ１つのみがラベル付けされている。第１の９２０ＳＬＭと第２の９８０ＳＬＭにそれぞれｓ偏光とｐ偏光を使用すると、切り替え可能９２５および静的９８５トラップビームアレイの間の光学的干渉を回避できる。

【0062】

図２に戻って、図９Ｂに示される要素を使用したｋ＝２での移動が示され、３次元空間内に原子を配置するためのシステム９００は、複数の切り替え可能な光トラップ２１０を生成する第１の空間光変調器（ＳＬＭ）９２０を含む光学システムを含み、例えば、図２に示される９個の切換可能な光トラップ２１０（ｎ＝９）など、図２に示される１次元アレイの例が示され、明確にするために、図２ではｙ（１）＝９の切り替え可能な光トラップ２１０のみがラベル付けされている。カメラ９３０は、ｎ位置アレイ内の原子ｌの位置ｙ（ｌ）を画像化する。次に、コントローラ９０５は、第１のＳＬＭ９２０を操作して、ｙ（１）＝９の切り替え可能な光トラップ２２０を除くすべての切り替え可能な光トラップを非アクティブ化する。次に、図１１に示すように、原子１１３０は、ｙ（ｌ）＝９からｙ（ｌ）＝５への移動の開始時および終了時に、切り替え可能な光トラップ１１２０間を断熱的に移動する。本明細書で使用される断熱移動は、トラップ周波数と比較して遅いレートで双極子トラップポテンシャルの形状をゆっくりと変更することによる、ｙ（ｌ）＝９とｙ（ｌ）＝５との間の切り替え可能な光トラップ１１２０の移動中に、原子がその運動基底状態のままであることを意味する。スキャナ９９０が切り替え可能な光トラップ１１２０をｙ（ｌ）＝９からｙ（ｌ）＝５に変換するとき、原子１１３０は切り替え可能な光トラップ１１２０内にトラップされたままである。スキャナ９９０の操作が約１０μｓｅｃから約１００μｓｅｃの範囲の時間で達成される限り、原子ｌ＝１、２、３、および４は、原子ｌ＝４の移動中、位置ｙ（ｌ）＝１、２、３、および４で静止したままであり、その後、コントローラはｙ（ｌ）＝１、２、３、および４で切り替え可能な光トラップを再度アクティブにして、原子ｌ＝１、２、３、および４、ならびにｌ＝５を再びトラップする。任意選択で、上述のように、第２のＳＬＭ９８０は、ｎ位置アレイの静的双極子トラップ９８５内に原子をトラップする。次に、ｙ（ｌ）＝９で、ポッケルスセル（Pockels cell）９１５は、入射光の偏光を回転させて、より多くの光を切り替え可能な光トラップ１１２０に向け、これにより、切り替え可能な光トラップ１１２０の深さは、静的双極子トラップ１１１０の深さよりも深くなる。図１１に示すように、静的双極子トラップ１１１０は、切り替え可能な光トラップ１１２０より浅いトラップ電位を有する。原子１１３１がより深いトラップにあるとき、より低いエネルギーＥを有すると仮定すると、これは、原子１１３１を静的双極子トラップ１１１０から切り替え可能な光トラップ１１２０に断熱的に転送することになり、そこで原子は原子１１３０として示される。ｙ（ｌ）＝５で、切り替え可能な光トラップ１１２０内の原子１１３０は、同様に、ポッケルスセル９１５を使用して、より多くの光を静的双極子トラップ１１１０に向けることで、静的双極子トラップ１１１０に断熱的に戻される。図２に戻って、スキャナ９９０は、原子ｌをｎ位置アレイ内の位置ｄｌ＝ｙ（ｌ）－ｌの数だけ動かし、ここで、ｄ_１はコントローラ９０５によってｍビットの２進数として表され、ｍ＝ｒｏｕｎｄ（ｌｏｇ_２（ｎ－１））であり、スキャナ９９０は、原子ｌをいくつかの位置ｄ_ｌ，ｋ＝ａ^ｌ，ｋ２^ｋだけ段階的に動かすように構成され、ここで、ａ_ｌ，ｋ∈｛０，１｝は、それぞれの原子ｌに対するｄ_ｌの２進数表現のビットｋであり、ｋ＝０，１，．．，ｍである。第１のＳＬＭ９２０が、同時に動かされる多くの原子を捕捉できるＤＭＤである場合、スキャナ９９０（例えば、検流計）は、捕捉されたすべての原子ｌを同時に動かす。切り替え可能な光トラップ２１０を形成する２Ｎ個のピンセット１Ｄビーム内のＮ個の原子の場合、カメラフレームの数はｎ＝ｒｏｕｎｄ［ｌｏｇ_２（Ｎ－１）］であり、スキャナ９９０の必要な解像度もｎビットである。図３および４に示すように、アレイが２次元（２Ｄ）アレイの場合、スキャナ９９０は、交差した（つまり、互いに対して９０°の向き）音響光学偏向器（ＡＯＤ）の組、交差した電気光学偏向器（ＥＯＤ）、ミラーガルバノメーター、フォーカス調整可能レンズの組、または、すべての原子ｌをｘ方向またはｙ方向に動かせるクロスミラー検流計の組であることができる。アレイが３次元アレイである場合、図５Ａ～５Ｆに示されるように、スキャナ９９０は、ミラー検流計および焦点調整可能レンズの組、音響光学偏向器（ＡＯＤ）および焦点調整可能レンズの組、または電気光学偏向器（ＥＯＤ）とフォーカスチューナブルレンズの組であることができる。適切なミラー検流計は、Cambridge Technology（Lightning II Digital、Bedford MA など）から入手できる。適切な焦点調整可能レンズは、Optotune（Dietikon、スイス）または Applied Scientific Instrumentation（Eugene、OR）から入手できる。

【0063】

特定の実施形態において、図９Ｃに示すように、システム９００は、図１２Ａ～１２Ｄに示されるように、ｎ位置アレイ内の静的双極子トラップ９８５のターゲットパターンと重複し、より深いトラップ深さを有する静的双極子トラップのターゲットパターンを形成する、静的双極子トラップ９５８内に原子をトラップする第３のＳＬＭ９５５をさらに含む。適切なＳＬＭは、上記のメーカーから入手できる。図９Ｃに示すように、この実施形態では、ミラー９６０が、第２のＳＬＭ９８０からのｎ位置アレイ内の静的双極子トラップ９８５のターゲットパターンを、第３のＳＬＭ９５５からの静的双極子トラップ９５８の追加のターゲットパターンと組み合わせるビームスプリッタ９６５に置き換えられる。第２のレーザービーム９５１は、第３のＳＬＭ９５５を照射する。静的双極子トラップ９８５と９５８との間の干渉を回避するために、レーザービーム９５１の周波数は、レーザービーム９１０の周波数と異なっていてもよいし、周波数は、位相変調器９５２によってシフトされてもよい。適切な位相変調器は、AdvR（たとえば、KTP 位相変調器、Bozeman MT）、またはJenoptik（たとえば、PMXXX シリーズ（PM635、PM705、PM830、PM1064、PM1550）、Jena Germany）から入手できる。図１２Ａに示されるように、新しい静的双極子トラップ１２１０は、図１２Ｂ～１２Ｄ（ｎ＝２６×８）に示されるｎ位置アレイ内の静的双極子トラップ１２２０よりも深いトラップ深さを有し、原子１２３０は、より深いトラップ１２１０に断熱輸送される。新しいターゲットパターンアレイ１２１０を作成するこのアプローチは、図１２Ａに示される静的双極子トラップ１２１０と１２２０との間の少なくとも部分的な重複を必要とするが、図８Ａ～８Ｄに示し、上述したプロセスによって静的双極子トラップの新しい高解像度アレイを作成するよりも高速である。

【0064】

図９Ｄに示されるように、システム９００は、第２のＳＬＭ９８０の後に、少なくとも１つの５０：５０ビームスプリッタ９２８、図９Ｄに示される７つのビームスプリッタ９２８を含むことができる。ミラー９４５と組み合わせて、一連のビームスプリッタ９２８は、図１３に示されるｎ位置静的双極子トラップアレイのコピー、図９Ｄに示されるビームの４つのコピー、ターゲットトラップアレイ１３１０の４つのコピー（アンサンブル１－４）を生成することができる。アンサンブルはできるだけ同一にする必要がある。この原子の配置により、たとえば、最大独立集合（ＭＩＳ）の組み合わせ最適化問題の単位円盤グラフ実装をエンコードし、以下でさらに説明するように、逐次的または同時に解を見つけるための実験を実行できる。

【0065】

図９Ｅに示される制御システムおよびデータフローのブロック図に示されるように、第１のＳＬＭ９２０およびスキャナ９９０は、コントローラ９０５によって同期される。コントローラ９０５は、カメラ９３０から原子９４０の蛍光画像を読み取り、第１のＳＬＭ９２０制御ボードに転送される第１のＳＬＭ９２０の２進数画像のセットを生成する。コントローラ９０５はまた、スキャナ９９０制御ボードに転送される走査角度ステップを生成する。コントローラ９０５はまた、ポッケルスセル９１５を他のデバイスと同期して制御し、それぞれ図９Ｂに示す切り替え可能９２５および静的９８５双極子トラップアレイ間でレーザー光９１０の強度を分配する。このようにして、コントローラ９０５は、センサ９３０によって生成されたセンサデータを受信し、光学システム９２０およびスキャナ９９０を操作して、センサ９３０からさらなるセンサデータを受信することなく、複数の操作を実行するように構成することができ、複数の操作のそれぞれにおいて、複数の原子が３次元空間内で動かされる。

【0066】

上記の技術は、低温原子の非常に大きなアレイ生成を可能にし：デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）などのＳＬＭは、約１００万（１Ｍ）原子に対して１０００ｘ１０００トラップのオーダーで生成できる。この膨大な数のキュービットを使用して、非常に大規模な量子プログラムを実行できるが、これには長い回路深度が必要になるため、ゲートの忠実度の高さが必要となり、おそらくエラー修正が必要になる。ただし、短期的には、この大規模なアレイは、多数の実験を同時に実行するのにすでに非常に役立つ。特に、２０１９年８月３０日に出願された「QUANTUM OPTIMIZATION FOR MAXIMUM INDEPENDENT SET USING RYDBERG ATOM ARRAYS」という名称のＰＣＴ出願番号ＰＣＴ／ＵＳ２０１９／４９１１５で説明されているように、最大独立集合（ＭＩＳ）の組み合わせ最適化問題の単位円盤グラフ実装（unit-disk-graph implementation）をエンコードするための原子の配置を検討し、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。

【0067】

レーザー出力が制限されている場合、以下のように多数の実験を短時間で連続して実行できる。
ａ．約１Ｍのトラップサイトにランダムに読み込まれる約０．５Ｍの原子から始めて、これらの原子を各アレイの１００個の原子の約１，０００ブロックに読み込む。残りの原子を破棄する。
ｂ．ブロック＃１に量子回路（例えば、量子近似最適化アルゴリズム（ＱＡＯＡ）回路）のレーザーパルスシーケンスを適用する。これには約１～１０μｓ掛かる。この実験の結果を、この実験に残っている原子の基底状態にエンコードするために、リュードベリ状態の原子のアンチトラップを使用する。このゲートシーケンスは、単位ディスクグラフＭＩＳグラフ問題に対して、音響光学偏向器または電気光学偏向器などの高速ビーム偏向器を使用して、図１２に示されるアンサンブル＃１に向けられる、単一のレーザービームのみを使用して実現できる。
ｃ．デフレクターを使用してリュードベリゲートのビームを他のブロックに向け、残りの９９９個のアンサンブルに対して手順（ｂ）を繰り返す。４つのアンサンブルから得られた結果を図１３に示す。
ｄ．蛍光読み出しを使用して、すべての実験からのすべてのキュービットにわたってすべてのキュービットの状態を同時に測定する。
ｅ．この時点で、同一のＱＡＯＡ条件を使用した１０００の実験が１～１０ミリ秒程度の時間で完了する。これは、この提案された並列化されたプロセスがない場合よりも約１０００倍高速である。（ｄ）の測定値に基づいて、ＱＡＯＡシーケンスを更新し、ステップ（ａ）からのプロセスを繰り返す。実験は連続して実行されたため、近くのブロック間のリュードベリ原子がクロストークを経験したことがないことに注意されたい。

【0068】

レーザー出力に制限がなければ、すべての実験を同時に行うことができる。隣接するアンサンブル（ensembles）のリュードベリ状態間にクロストーク（cross-talk）がある場合、実験は、たとえばそれぞれ１０～１００個のアンサンブルのスーパーブロックで実行できる。

【0069】

他の実施形態において、アンサンブル間のＱＡＯＡシーケンスを更新するために、実験の途中で蛍光読み出しを散在させることができる。測定は、カメラから関心のある領域のみを測定するか、アバランシェ（avalanche）フォトダイオードのアレイなどのより高速な検出器によって実行できる。

【0070】

測定を行わなくても、――例えば、ＱＡＯＡ ＭＩＳパフォーマンスの勾配を測定する場合など、途中でＱＡＯＡシーケンスを変更することができる。

【0071】

いくつかの実施形態において、ユニットディスクグラフでの単純なＱＡＯＡ ＭＩＳ実験ではなく、individual-qubit gate sequencesなど、他の多くのタイプのアルゴリズムを実装することができる。

【0072】

リュードベリゲートの電力が制限されていない場合、リュードベリゲートパルスを多くのブロックに空間的にコピーして、同時に実装することができる。実用的な目的では、約１Ｍ量子ビット配列の準備ステップと約１Ｍ量子ビット読み出しステップの間に、同時に実行される実験と時間的に分離された実験の間には、おそらく満足のいく媒体があるであろう。

【0073】

１以上の実施形態によれば、図１０Ａおよび１０Ｂに示されるように、３次元空間内に原子を配置するためのシステム１０００は、３次元空間内に光トラップの規則的間隔のｎ位置アレイを形成する光格子を生成するように動作可能な第１の光学システムであって、ミラー１０６５から形成される前記第１の光学系と、位相変調器１０７０と、および、原子蒸気セル１０４５内に原子１０４０をトラップする双極子トラップ１０４７のｎ位置アレイを生成する光格子１０４７を生成する、再帰反射器１０７５と、規則的間隔のｎ位置アレイ内に切り替え可能な光トラップのアレイを生成するように動作可能な第２の光学システムであって、レーザービーム１０１０を複数のレーザービーム１０２５に分割する第１の空間光変調器（ＳＬＭ）１０２０を含み、ｎ位置アレイ１０４７内の切り替え可能な光トラップ内に原子１０４１をトラップする第２のＳＬＭ１０８０上に結像される、前記第２の光学システムと、ｎ位置アレイ１０４７内の原子ｌの位置ｙ（ｌ）を画像化する光学カメラ１０３０など、光トラップの一定間隔のｎ位置アレイ内に補足された原子を検出するように構成されたセンサ１０３０と、原子ｌ１０４０が、ｎ位置アレイ１０４７内で位置ｄ_ｌ＝ｙ（ｌ）－ｌの数だけ移動するように、レーザー光の周波数をシフトし、光格子１０４７の位相Δを調整するように構成された位相変調器１０７０と、ここで、ｄ_ｌはｍビットの２進数として表され、ｍ＝ｒｏｕｎｄ（ｌｏｇ_２（ｎ－１））であり、位相変調器１０７０は、原子ｌ１０４０をいくつかの位置ｄ_ｌ，ｋ＝ａ_ｌ，ｋ２^ｋだけ段階的に移動させるように構成され、ここで、ａ_ｌ，ｋ∈｛０，１｝は、それぞれの原子ｌに対するｄ_ｌの２進数表現のビットｋであり、ｋ＝０，１，．．，ｍである、前記位相変調器１０７０とを含んでいる。図１０Ｂに示されるように、原子１０４１は、ビーム１０２５内に捕捉され、位相変調器１０７０が光格子１０４７の波長の最小値である半分だけ光格子１０４７の位相φを調整するので、原子１０４０が動いても、動かない。コントローラ１００５はまた、ポッケルスセル１０１５を他のデバイスと同期して制御し、レーザー光１０１０を光格子１０４７と切り替え可能な１０２５双極子トラップアレイとの間で分配する。このように、コントローラ１００５は、光学システムおよび位相変調器を操作して、規則的間隔のｎ位置アレイ内の原子を原子の所望の構成に分類するように構成され、光学システムおよび位相変調器の動作は、光トラップの規則的間隔のｎ位置アレイ内に捕捉された原子を検出するセンサによって生成されたセンサデータに少なくとも部分的に基づく。いくつかの実施形態では、第１のＳＬＭ１０２０および第２のＳＬＭ１０８０はそれぞれ、強度ＳＬＭであり得る。他の実施形態では、第１のＳＬＭ１０２０および第２のＳＬＭ１０８０はそれぞれ位相ＳＬＭであることができる。特定の実施形態では、第１のＳＬＭ１０２０および第２のＳＬＭ１０８０はそれぞれ、デジタルミラーデバイス（ＤＭＤ）、強誘電性液晶（ＦＬＣ）ＳＬＭ、液晶オンシリコン（ＬＣＯＳ）ＳＬＭ、多重量子ウェルアレイ、変形可能なマイクロミラーアレイ、表面弾性波（ＳＡＷ）トランスデューサのアレイ、音響光学偏向器（ＡＯＤ）のアレイ、磁気光学ＳＬＭ、または調整可能なマイクロキャビティアレイであることができる。適切なＳＬＭは、上記のメーカーから入手できる。いくつかの実施形態では、位相変調器１０７０は、３次元光格子１０４７の位相Δを調整する３つの電気光学変調器（ＥＯＭ）であり得る。適切な位相変調器は、上記のメーカーから入手できる。特定の実施形態では、アレイは２次元（２Ｄ）アレイであることができる。いくつかの実施形態では、光格子１０４７は、２次元（２Ｄ）光格子１０４７であることができる。これらの実施形態のいくつかでは、位相変調器１０７０は、２次元光格子１０４７の位相Δを調整する１対の電気光学変調器（ＥＯＭ）であり得る。

【0074】

さらなる例示的な実施形態
例１は、３次元空間内に原子を配置するためのシステムであって、該システムは、３次元空間内に複数の切り替え可能な光トラップを生成するように操作可能な光学システム、複数の切り替え可能な光トラップ内の原子を検出するように構成されたセンサ、複数の切り替え可能な光トラップ内で多数の原子を同時に動かすように操作可能なスキャナ、および、複数の切り替え可能な光トラップ内の原子を原子の所望の構成に分類するために、光学システムおよびスキャナを操作するように構成された少なくとも１つのコントローラであって、光学システムおよびスキャナの操作は、複数の切り替え可能な光トラップ内の原子を検出するセンサによって生成されるセンサデータに少なくとも部分的に基づく、前記コントローラを含む。

【0075】

例２は、例１の主題を含み、光学システムが、操作時に、複数の切り替え可能な光トラップのうちの１以上の切り替え可能な光トラップを非アクティブ化する少なくとも１つの空間光変調器（ＳＬＭ）を含む。

【0076】

例３は、例２の主題を含み、少なくとも１つのコントローラが、少なくとも１つのＳＬＭを操作して、１以上の切り替え可能な光トラップをアクティブ化または非アクティブ化するようにさらに構成されることができる。

【0077】

例４は、例１～３のいずれかの主題を含み、光学システムが、光学システムによって生成される切り替え可能な光トラップのアレイよりも浅いトラップポテンシャルを有する、３次元空間内に複数の静的光トラップを生成するように操作可能な第２の空間光変調器（ＳＬＭ）をさらに含むことができる。

【0078】

例５は、例４の主題を含み、静的光トラップのアレイが、３次元空間内の２次元平面において規則的間隔のアレイを形成することができる。

【0079】

例６は、例１～５のいずれかの主題を含み、センサが、光学カメラを含むことができる。

【0080】

例７は、例５～６のいずれかの主題を含み、原子の所望の構成が、最密構成であることができる。

【0081】

例８は、例１～７のいずれかの主題を含み、スキャナが、ミラー検流計および焦点調整可能レンズを含むことができる。

【0082】

例９は、例１～８のいずれかの主題を含み、少なくとも１つのコントローラが、センサによって生成されたセンサデータを受信し、および、センサからセンサデータをさらに受信することなく、複数の操作を実行するために光学システムとスキャナを操作し、複数の操作のそれぞれにおいて、複数の原子が３次元空間内で動かされるように構成することができる。

【0083】

例１０は、例１～９のいずれかの主題を含み、複数の切り替え可能な光トラップが、規則的間隔のｎ位置アレイに配置されることができる。

【0084】

例１１は、例１０の主題を含み、少なくとも１つのコントローラが、センサによって生成されたセンサデータに基づいて、切り替え可能な光トラップのアレイ内に捕捉された複数の原子のそれぞれを動かして、原子を規則的間隔のｎ位置アレイ内の所望の構成に分類するいくつかの位置を決定し、および、複数の原子のそれぞれについて決定されたいくつかの位置に基づいて、スキャナを使用して、複数の原子を３次元空間の初期位置から３次元空間の最密位置まで動かす、一連の操作を生成するように構成されることができる。

【0085】

例１２は、例１０～１１のいずれかの主題を含み、一連の操作のうちの少なくとも１つの操作中に、複数の原子のうちの少なくとも２つがスキャナを使用して同時に動かされることができる。

【0086】

例１３は、例１０～１２のいずれかの主題を含み、複数の原子のそれぞれのいくつかの位置が、２進数で表され、少なくとも１つのコントローラが、最下位ビットから最上位ビットまでの２進数のそれぞれのビットを、ビットが１であるかゼロであるかに基づいて原子を動かす命令または動かさない命令として解釈することにより、複数の原子のそれぞれの原子に対して、一連の操作を生成するように構成されることができる。

【0087】

例１４は、例１０～１３のいずれかの主題を含み、少なくとも１つのコントローラが、スキャナを使用して複数の原子のそれぞれの原子ｌを動かすためのいくつかの位置ｄ（ｌ）を決定し、原子を所望の構成に分類する、複数の原子のそれぞれについて決定されたいくつかの位置ｄ（ｌ）をｍビットの２進数として表す、ここでｍ＝ｒｏｕｎｄ（ｌｏｇ_２（ｎ－１））、スキャナを操作して、それぞれの原子ｌをいくつかの位置ｄ_ｌ，ｋ＝ａ_ｌ，ｋ２^ｋだけ動かす、ここで、ａ_ｌ，ｋ∈｛０，１｝は、それぞれの原子ｌの２進数のビットｋ、および、それぞれの原子ｌの移動をｍ回繰り返し、ｋ＝０からｋ＝ｋ＋１ずつ毎回インクリメントするように構成されることができる。

【0088】

例１５は、例１０の主題を含み、少なくとも１つのコントローラが、センサによって生成されたセンサデータに基づいて、切り替え可能な光トラップのアレイ内に捕捉された複数の原子のそれぞれを動かすためのいくつかの位置を決定し、原子を規則的間隔のｎ位置アレイ内の所望の構成に分類する、および、複数の原子のそれぞれについて決定されたいくつかの位置に基づいて、複数の原子がスキャナを使用して３次元空間内の最密位置から３次元空間内のｔ位置に動かされる一連の操作を生成するように構成されることができる。

【0089】

例１６は、例１５の主題を含み、一連の操作の少なくとも１つの操作中に、複数の原子のうちの少なくとも２つが、スキャナを使用して同時に動かされることができる。

【0090】

例１７は、例１５～１６のいずれかの主題を含み、複数の原子のそれぞれのいくつかの位置が、２進数で表されることができ、少なくとも１つのコントローラが、最上位ビットから最下位ビットまでの２進数のそれぞれのビットを、ビットが１であるかゼロであるかに基づいて原子を動かす命令または動かさない命令として解釈することにより、複数の原子のそれぞれの原子に対して、一連の操作を生成するように構成されることができる。

【0091】

例１８は、例１７の主題を含み、少なくとも１つのコントローラが、スキャナを使用して複数の原子のそれぞれの原子ｌを動かすためのいくつかの位置ｆ（ｌ）を決定し、原子を規則的間隔のｎ位置アレイ内の所望の構成に分類する、複数の原子のそれぞれについて決定されたいくつかの位置ｆ（ｌ）をｍビットの２進数として表す、ここでｍ＝ｒｏｕｎｄ（ｌｏｇ_２（ｎ－１））、スキャナを操作して、それぞれの原子ｌをいくつかの位置ｆ_ｌ，ｋ＝ａ_ｌ，ｋ２^ｋだけ動かす、ここで、ａ_ｌ，ｋ∈｛０，１｝は、それぞれの原子ｌの２進数のビットｋ、およびそれぞれの原子ｌの移動を繰り返し、ｋ＝０まで毎回デクリメントするように構成される

【0092】

例１９は、例１０の主題を含み、少なくとも１つのコントローラが、センサによって生成されたセンサデータに基づいて、切り替え可能な光トラップのアレイ内に捕捉された複数の原子のそれぞれを動かすためのいくつかの位置を決定し、原子を規則的間隔のｎ位置アレイ内の所望の構成に分類する、および、複数の原子のそれぞれについて決定されたいくつかの位置に基づいて、複数の原子がスキャナを使用して３次元空間内の初期位置から３次元空間内のｎ位置アレイよりも高い分解能を有する、切り替え可能な高解像度光トラップの規則的間隔のｈ位置アレイ内のターゲット位置に動かされる一連の操作を生成するように構成されることができる。

【0093】

例２０は、例１９の主題を含み、一連の操作の少なくとも１つの操作中に、複数の原子のうちの少なくとも２つが、スキャナを使用して同時に動かされることができる。

【0094】

例２１は、例１９～２０のいずれかの主題を含み、複数の原子のそれぞれのいくつかの位置が、２進数で表されることができ、少なくとも１つのコントローラが、最下位ビットから最上位ビットまでの２進数のそれぞれのビットを、ビットが１であるかゼロであるかに基づいて原子を動かす命令または動かさない命令として解釈することにより、複数の原子のそれぞれの原子に対して、一連の操作を生成するように構成されることができる。

【0095】

例２２は、例１９～２１のいずれかの主題を含み、少なくとも１つのコントローラが、スキャナを使用して複数の原子のそれぞれの原子ｌを動かすためのいくつかの位置ｇ（ｌ）を決定し、原子を規則的間隔のｈ位置アレイ内の所望の構成に分類する、複数の原子のそれぞれについて決定されたいくつかの位置ｇ（ｌ）をｕビットの２進数として表す、ここでｕ＝ｒｏｕｎｄ（ｌｏｇ_２（ｈ－１））、スキャナを操作して、それぞれの原子ｌをいくつかの位置ｇ_ｌ，ｋ＝ａ_ｌ，ｋ２^ｋだけ動かす、ここで、ａ_ｌ，ｋ∈｛０，１｝は、それぞれの原子ｌの２進数のビットｋ、および、それぞれの原子ｌの移動をｕ回繰り返し、ｋ＝０からｋ＝ｋ＋１ずつ毎回インクリメントするように構成されることができる。

【0096】

例２３は、３次元空間内に原子を配置するための方法であって、光学システムを操作して、３次元空間内に複数の切り替え可能な光トラップを生成すること、センサを使用し、複数の切り替え可能な光トラップ内に補足された原子を検出すること、スキャナを操作して、複数の切り替え可能な光トラップ内で多数の原子を同時に動かすこと、および、少なくとも１つのコントローラを使用して、複数の切り替え可能な光トラップ内の原子を原子の所望の構成に分類するために、光学システムおよびスキャナを操作し、光学システムおよびスキャナの操作は、複数の切り替え可能な光トラップ内の原子を検出するセンサによって生成されるセンサデータに少なくとも部分的に基づくことを含むことができる。

【0097】

例２４は、例２３の主題を含み、複数の切り替え可能な光トラップのうちの１以上の切り替え可能な光トラップを非アクティブ化する少なくとも１つの空間光変調器（ＳＬＭ）を操作することをさらに含むことができる。

【0098】

例２５は、例２３～２４のいずれかの主題を含み、第２の空間光変調器（ＳＬＭ）を操作して、光学システムによって生成される複数の切り替え可能な光トラップよりも浅いトラップポテンシャルを有する、３次元空間内の静的光トラップの規則的間隔のｎ位置アレイを生成することをさらに含むことができる。

【0099】

例２６は、例２５の主題を含み、静的光トラップのアレイが、３次元空間内の２次元平面において規則的間隔のアレイを形成することができる。

【0100】

例２７は、例２３～２６のいずれかの主題を含み、センサが、光学カメラを含むことができる。

【0101】

例２８は、例２３～２７のいずれかの主題を含み、所望の構成が最密構成であることができる。

【0102】

例２９は、例２３～２８のいずれかの主題を含み、スキャナが、ミラー検流計および焦点調節可能レンズを含むことができる。

【0103】

例３０は、例２３～２９のいずれかの主題を含み、少なくとも１つのコントローラによって、センサによって生成されたセンサデータを受信すること、および、少なくとも１つのコントローラによって、センサからセンサデータをさらに受信することなく、複数の操作を実行するために光学システムとスキャナを操作し、複数の操作のそれぞれにおいて、複数の原子が３次元空間内で動かされることさらに含むことができる。

【0104】

例３１は、例２３～３０のいずれかの主題を含み、複数の切り替え可能な光トラップが、規則的間隔のｎ位置アレイに配置されることができる。

【0105】

例３２は、例３１の主題を含み、少なくとも１つのコントローラによって、センサによって生成されたセンサデータに基づいて、切り替え可能な光トラップのアレイ内に捕捉された複数の原子のそれぞれを動かすためのいくつかの位置を決定し、原子を規則的間隔のｎ位置アレイ内の所望の構成に分類すること、および、少なくとも１つのコントローラによって、複数の原子のそれぞれについて決定されたいくつかの位置に基づいて、複数の原子がスキャナを使用して３次元空間内の初期位置から３次元空間内の最密位置に動かされる一連の操作を生成することをさらに含む。

【0106】

例３３は、例３２の主題を含み、一連の操作のうちの少なくとも１つの操作中に、複数の原子のうちの少なくとも２つが、スキャナを使用して同時に動かされる。

【0107】

例３４は、例３３の主題を含み、複数の原子のそれぞれのいくつかの位置が、２進数で表されることができ、方法が、少なくとも１つのコントローラによって、最下位ビットから最上位ビットまでの２進数のそれぞれのビットを、ビットが１であるかゼロであるかに基づいて原子を動かす命令または動かさない命令として解釈することにより、複数の原子のそれぞれの原子に対して、一連の操作を生成することをさらに含むことができる。

【0108】

例３５は、例３２～３４のいずれかの主題を含み、少なくとも１つのコントローラによって、スキャナを使用して複数の原子のそれぞれの原子ｌを動かすためのいくつかの位置ｄ（ｌ）を決定し、原子を所望の構成に分類する、複数の原子のそれぞれについて決定されたいくつかの位置ｄ（ｌ）をｍビットの２進数として表す、ここでｍ＝ｒｏｕｎｄ（ｌｏｇ_２（ｎ－１））、スキャナを操作して、それぞれの原子ｌをいくつかの位置ｄ_ｌ，ｋ＝ａ_ｌ，ｋ２^ｋだけ動かす、ここで、ａ_ｌ，ｋ∈｛０，１｝は、それぞれの原子ｌの２進数のビットｋ、および、それぞれの原子ｌの移動をｍ回繰り返し、ｋ＝０からｋ＝ｋ＋１ずつ毎回インクリメントすることをさらに含むことができる。

【0109】

例３６は、例３１の主題を含み、少なくとも１つのコントローラによって、センサによって生成されたセンサデータに基づいて、切り替え可能な光トラップのアレイ内に捕捉された複数の原子のそれぞれを動かすためのいくつかの位置を決定し、原子を規則的間隔のｎ位置アレイ内の所望の構成に分類する、および、複数の原子のそれぞれについて決定されたいくつかの位置に基づいて、複数の原子がスキャナを使用して３次元空間内の最密位置から３次元空間内のターゲット位置に動かされる一連の操作を生成することをさらに含むことができる。

【0110】

例３７は、例３６の主題を含み、一連の操作の少なくとも１つの操作中に、複数の原子のうちの少なくとも２つが、スキャナを使用して同時に動かされる。

【0111】

例３８は、例３６～３７のいずれかの主題を含み、複数の原子のそれぞれのいくつかの位置が、２進数で表されることができ、少なくとも１つのコントローラが、最上位ビットから最下位ビットまでの２進数のそれぞれのビットを、ビットが１であるかゼロであるかに基づいて原子を動かす命令または動かさない命令として解釈することにより、複数の原子のそれぞれの原子に対して、一連の操作を生成するように構成されることができる。

【0112】

例３９は、例３６～３８のいずれかの主題を含み、少なくとも１つのコントローラによって、スキャナを使用して複数の原子のそれぞれの原子ｌを動かすためのいくつかの位置ｆ（ｌ）を決定し、原子を規則的間隔のｎ位置アレイ内の所望の構成に分類する、複数の原子のそれぞれについて決定されたいくつかの位置ｆ（ｌ）をｍビットの２進数として表す、ここでｍ＝ｒｏｕｎｄ（ｌｏｇ_２（ｎ－１））、スキャナを操作して、それぞれの原子ｌをいくつかの位置ｆ_ｌ，ｋ＝ａ_ｌ，ｋ２^ｋだけ動かす、ここで、ａ_ｌ，ｋ∈｛０，１｝は、それぞれの原子ｌの２進数のビットｋ、および、それぞれの原子ｌの移動を繰り返し、ｋ＝０まで毎回デクリメントすることをさらに含むことができる。

【0113】

例４０は、例３１の主題を含み、少なくとも１つのコントローラによって、センサによって生成されたセンサデータに基づいて、切り替え可能な光トラップのアレイ内に捕捉された複数の原子のそれぞれを動かすためのいくつかの位置を決定し、原子を規則的間隔のｎ位置アレイ内の所望の構成に分類する、および、複数の原子のそれぞれについて決定されたいくつかの位置に基づいて、複数の原子がスキャナを使用して３次元空間内の初期位置から３次元空間内のｎ位置アレイよりも高い分解能を有する、切り替え可能な高解像度光トラップの規則的間隔のｈ位置アレイ内のターゲット位置に動かされる一連の操作を生成することをさらに含む。

【0114】

例４１は、例４０の主題を含み、一連の操作の少なくとも１つの操作中に、複数の原子のうちの少なくとも２つが、スキャナを使用して同時に動かされる。

【0115】

例４２は、例４０～４１のいずれかの主題を含み、複数の原子のそれぞれのいくつかの位置が、２進数で表されることができ、少なくとも１つのコントローラが、最下位ビットから最上位ビットまでの２進数のそれぞれのビットを、ビットが１であるかゼロであるかに基づいて原子を動かす命令または動かさない命令として解釈することにより、複数の原子のそれぞれの原子に対して、一連の操作を生成するように構成されることができる。

【0116】

例４３は、例４０～４２のいずれかの主題を含み、少なくとも１つのコントローラによって、スキャナを使用して複数の原子のそれぞれの原子ｌを動かすためのいくつかの位置ｇ（ｌ）を決定し、原子を規則的間隔のｈ位置アレイ内の所望の構成に分類する、複数の原子のそれぞれについて決定されたいくつかの位置ｇ（ｌ）をｕビットの２進数として表す、ここでｕ＝ｒｏｕｎｄ（ｌｏｇ_２（ｈ－１））、スキャナを操作して、それぞれの原子ｌをいくつかの位置ｇ_ｌ，ｋ＝ａ_ｌ，ｋ２^ｋだけ動かす、ここで、ａ_ｌ，ｋ∈｛０，１｝は、それぞれの原子ｌの２進数のビットｋ、および、それぞれの原子ｌの移動をｕ回繰り返し、ｋ＝０からｋ＝ｋ＋１ずつ毎回インクリメントすることをさらに含むことができる。

【0117】

例４４は、命令を含む少なくとも１つの非一時的なコンピュータ可読媒体であって、該命令は、実行されると、３次元空間内に配置された複数の光トラップ内に原子を配置する方法を実行し、該方法は、光学システムを操作して、３次元空間内に複数の切り替え可能な光トラップを生成すること、センサを使用し、複数の切り替え可能な光トラップ内に補足された原子を検出すること、スキャナを操作して、複数の切り替え可能な光トラップ内で多数の原子を同時に動かすこと、および、少なくとも１つのコントローラを使用して、切り替え可能な光トラップのアレイ内の原子を原子の所望の構成に分類するために、光学システムおよびスキャナを操作し、光学システムおよびスキャナの操作は、複数の切り替え可能な光トラップ内の原子を検出するセンサによって生成されるセンサデータに少なくとも部分的に基づくことを含む。

【0118】

例４５は、３次元空間内に原子を配置するためのシステムであって、該システムは、３次元空間内に光トラップの規則的間隔のｎ位置アレイを形成する光格子を生成するように操作可能な第１の光学システム、規則的間隔のｎ位置アレイ内に切り替え可能な光トラップのアレイを生成するように操作可能な第２の光学システム、光トラップの規則的間隔のｎ位置アレイ内に捕捉された原子を検出するように構成されたセンサ、光格子の位相を調整して、光トラップの規則的間隔のｎ位置アレイ内に捕捉された多数の原子を同時に動かすように操作可能な位相変調器、および、規則的間隔のｎ位置アレイ内の原子を原子の所望の構成に分類するために、光学システムおよび位相変調器を操作するように構成された少なくとも１つのコントローラであって、光学システムおよび位相変調器の操作は、規則的間隔のｎ位置アレイ内に補足された原子を検出するセンサによって生成されるセンサデータに少なくとも部分的に基づく、前記コントローラを含む。

【0119】

例４６は、３次元空間内に配置された複数の光トラップ内に原子を配置する方法であって、少なくとも１つのプロセッサを使用して、３次元空間内の初期位置から３次元空間内のターゲット位置まで複数の原子が複数の光トラップ間で動かされる一連の操作を生成し、一連の操作の少なくとも１つの操作中に、複数の原子のうちの少なくとも２つが、複数の光トラップのトラップ間で同時に動かされること、および、スキャナを操作して、生成された一連の操作に従って、複数の光トラップのトラップ間で複数の原子のうちの１以上を動かすことを含む。

【0120】

例４７は、例４６の主題を含み、センサを使用して、複数の光トラップ内の複数の原子の位置を表すセンサデータを生成すること、および、複数の光トラップ内の複数の原子の位置を表すさらなるセンサデータを生成することなく、一連の操作を実行するためにスキャナを操作することをさらに含む。

【0121】

例４８は、例４７の主題を含み、センサデータが、複数の光トラップのどれが複数の原子の１つを含有するかを示す。

【0122】

例４９は、例４６～４８のいずれかの主題を含み、複数の光トラップが、３次元空間において規則的間隔のアレイを生成する。

【0123】

例５０は、例４６～４９のいずれかの主題を含み、複数の光トラップが、３次元空間内の２次元平面において規則的間隔のアレイを生成する。

【0124】

例５１は、例４６～５０のいずれかの主題を含み、少なくとも１つの空間光変調器（ＳＬＭ）を操作することによって、複数の光トラップを生成することをさらに含む。

【0125】

例５２は、例４６～５１のいずれかの主題を含み、スキャナが、複数の光トラップよりも低いポテンシャルを有する複数の可動トラップを３次元空間内に生成するように構成されている。

【0126】

例５３は、例４６～５２のいずれかの主題を含み、センサによって生成されたセンサデータに基づいて、少なくとも１つのプロセッサによって、複数の光トラップのトラップ間で複数の原子のそれぞれを動かして、原子を所望の構成に分類するためのいくつかの位置を決定することさらに含む。

【0127】

例５４は、例４６～５３のいずれかの主題を含み、少なくとも１つのプロセッサを使用して、複数の原子のそれぞれについて決定されたいくつかの位置を２進数として表現すること、および、少なくとも１つのプロセッサを使用して、複数の原子のそれぞれの原子について、一連の操作を生成し、最下位ビットから最上位ビットまでの２進数のそれぞれのビットを、ビットが１であるかゼロであるかに基づいて、原子を動かす命令または動かさない命令として解釈することをさらに含む。

【0128】

例５５は、例５４の主題を含み、複数の光トラップが、３次元空間において規則的間隔のｎ位置アレイを生成することができ、方法が、少なくとも１つのプロセッサを使用して、複数の原子のそれぞれの原子ｌを複数の光トラップのトラップ間で動かすためのいくつかの位置ｄ（ｌ）を決定して、原子を所望の構成に分類する、複数の原子のそれぞれについて決定されたいくつかの位置ｄ（ｌ）をｍビットの２進数として表す、ここでｍ＝ｒｏｕｎｄ（ｌｏｇ_２（ｎ－１））、スキャナを操作して、それぞれの原子ｌをいくつかの位置ｄ_ｌ，ｋ＝ａ_ｌ，ｋ２^ｋだけ動かす、ここで、ａ_ｌ，ｋ∈｛０，１｝は、それぞれの原子ｌの２進数のビットｋ、および、それぞれの原子ｌの移動をｍ回繰り返し、ｋ＝０からｋ＝ｋ＋１ずつ毎回インクリメントすることを含む。

【0129】

例５６は、５５の主題を含み、所望の構成が、最密構成である。

【0130】

例５７は、少なくとも１つの非一時的なコンピュータ可読媒体であって、実行されると、３次元空間内に配置された複数の光トラップ内に原子を配置する方法を実行し、該方法は、少なくとも１つのプロセッサを使用して、３次元空間内の初期位置から３次元空間内のターゲット位置まで複数の原子が複数の光トラップ間で動かされる一連の操作を生成し、一連の操作の少なくとも１つの操作中に、複数の原子のうちの少なくとも２つが、複数の光トラップのトラップ間で同時に動かされること、および、スキャナを操作して、生成された一連の操作に従って、複数の光トラップのトラップ間で複数の原子のうちの１以上を動かすことを含む。

【0131】

均等物
このようにいくつかの例示的な実施形態を説明してきたが、様々な変更、修正、および改良が当業者に容易に想起されることを理解されたい。そのような変更、修正、および改良は、本開示の一部を形成することを意図しており、本開示の精神および範囲内にあることを意図している。本明細書に提示されるいくつかの例は、機能または構造要素の特定の組み合わせを含むが、それらの機能および要素は、同じまたは異なる目的を達成するために、本開示に従って他の方法で組み合わせられ得ることが理解されるべきである。特に、一実施形態に関連して説明された動作、要素、および特徴は、他の実施形態における同様のまたは他の役割から除外されることを意図していない。さらに、本明細書に記載の要素および構成要素は、追加の構成要素にさらに分割するか、一緒に結合して、同じ機能を実行するより少ない構成要素を形成することができる。

【0132】

例示的な実施形態の前述の説明は、例示および説明の目的で提示されたものである。網羅的であること、または本開示を開示された正確な形態に限定することは意図されていない。この開示に照らして、多くの修正および変形が可能である。本開示の範囲は、この詳細な説明によってではなく、添付の特許請求の範囲によって限定されることが意図されている。本出願の優先権を主張する今後出願される出願は、開示された主題を異なる方法で主張することができ、一般に、本明細書でさまざまに開示または実証されるように、１以上の制限の任意のセットを含むことができる。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5A】

【図5B】

【図5C】

【図5D】

【図5E】

【図5F】

【図6A-D】

【図7A】

【図7B】

【図8A-C】

【図8D-E】

【図9A】

【図9B】

【図9C】

【図9D】

【図9E】

【図10A】

【図10B】

【図11】

【図12A-D】

【図13】

【図14】

【国際調査報告】