[发明专利]用于量子计算应用的双色激光器

说明书

本发明题为用于量子计算应用的双色激光器。本发明公开了一种多频率激光系统，该多频率激光系统包括主振荡器和臂分束器，该主振荡器用于生成主要光束，该臂分束器用于将主要光束分离成第一光束和第二光束。将该第一光束提供到主模式臂以用于生成主模式光束，并且将该第二光束提供到边带模式臂以用于生成边带模式光束。该边带光束臂包括调制器，该调制器用于调制该第二光束以生成包括边带的光束；滤波器，该滤波器用于从包括边带的光束中选择特定边带模式；放大器腔，该放大器腔用于放大该特定边带模式并抑制其它的剩余模式；和声光调制器，该声光调制器用于使经放大的选定边带光束的每种模式的频率移位，以生成边带模式光束。以协调方式提供该主模式光束和该边带模式光束以实施量子门。

技术领域

各种实施方案涉及一种双色激光系统。各种实施方案涉及一种具有相位控制特征的双色激光系统。

背景技术

在各种原子系统中，重要的是能够以特定频率和/或以与原子系统具有特定频率间隔和/或相位关系的激光束组向系统递送激光束。例如，捕获离子量子计算使用激光束来完成捕获离子量子计算机内的各种功能。例如，可使用激光束来实现量子计算机的逻辑门。此类应用需要在位置、频率和相位方面将激光精确和准确地递送到离子阱。

发明内容

示例性实施方案提供了双色激光系统、对应的伺服系统以及对应的方法。在各种实施方案中，双色激光系统和/或对应的伺服系统用于在量子计算机中执行量子逻辑门。

根据一个方面，提供了一种多频率激光系统。在示例性实施方案中，多频率激光系统包括主振荡器和臂分束器，该主振荡器被配置为生成主要光束(master beam)，该臂分束器被配置为将主要光束分离成第一光束和第二光束。将第一光束提供到主模式臂以用于生成主模式光束(primary mode beam)，并且将第二光束提供到边带模式臂以用于生成边带模式光束(sideband mode beam)。多激光频率系统还包括边带光束臂，该边带光束臂包括调制器，该调制器被配置为调制第二光束以生成包括边带的光束；滤波器，该滤波器被配置为从包括边带的光束中选择特定的边带模式以生成选定边带光束；放大器腔，该放大器腔被配置为放大特定的边带模式并抑制所述选定边带模式的其它剩余模式；和声光调制器，该声光调制器被配置为使经放大的选定边带光束的每种模式的频率移位，以生成边带模式光束。以协调方式向一个或多个原子对象提供主模式光束和边带模式光束以实施量子门。

在示例性实施方案中，滤波器是校准器。在示例性实施方案中，通过控温烘箱将校准器保持在恒定温度下。在示例性实施方案中，主模式臂和边带模式臂各自包括一组非线性光学元件。在示例性实施方案中，该组非线性光学元件包括二次谐波生成腔。在示例性实施方案中，当作为非同传光束提供主模式光束和边带模式光束时，经由启动双通声光调制器将主模式光束和边带模式光束锁相到本地振荡器。在示例性实施方案中，双通声光调制器位于该组非线性光学元件上游的主模式臂的光学路径和边带模式臂的光学路径中。在示例性实施方案中，在该组非线性光学元件的下游测量主模式光束和边带模式光束的频率之间的相对差。在示例性实施方案中，该系统还包括声光调制器，该声光调制器位于主模式臂的一组非线性光学元件以及边带模式臂的一组非线性光学元件的上游，该声光调制器被配置为基于对相对差的测量来锁相主模式光束和边带模式光束。在示例性实施方案中，基于为包括多频率激光系统的量子计算机定义的量子位空间的两种状态之间的能量差来确定主模式光束和边带模式光束之间的相对能量差。在示例性实施方案中，当主模式光束和边带模式光束是同传光束时，使用射频振荡器来稳定主模式光束和边带模式光束之间的相对相位差。在示例性实施方案中，该系统还包括伺服系统，该伺服系统被配置为稳定主模式光束和边带模式光束之间的相对相位差和/或相对频率差。在示例性实施方案中，伺服系统接收至少一个本地振荡器信号和直接数字频率合成器(DDS)信号作为输入。在示例性实施方案中，DDS信号作为伺服系统的输入臂的一部分提供，并且提供到伺服系统的输出臂。在示例性实施方案中，经由延迟线将DDS信号提供到伺服系统的输出臂。在示例性实施方案中，将DDS信号施加到伺服系统的输出臂实现主模式光束和边带模式光束中的至少一者的不连续相位变化。