(57)【要約】本開示は、イオン鎖を、イオン鎖中のイオンの数とともに成長しない結合基底状態の付近まで冷却するための技法の様々な態様を説明する。各イオンを個別にアドレス指定し、各イオンを使用して異なる運動モードを冷却することによって、運動モードを並行冷却することが可能である。一例では、全運動モードの３分の１を並行して冷却することができる。一態様では、本技法は、イオン鎖内の各イオンに対して側波帯冷却レーザビームを生成するステップと、それぞれの側波帯冷却レーザビームを使用して、イオン鎖内のイオンに関連する２つ以上の運動モードを、２つ以上の運動モードのそれぞれが運動基底状態に達するまで、並行冷却するステップと、２つ以上の運動モードが運動基底状態に達した後に、イオン鎖を使用して、量子計算を実行するステップとを含む。【選択図】図６
2021530040.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のイオンを有するイオン鎖を冷却するための方法であって、
前記イオン鎖内の各イオンに対して側波帯冷却レーザビームを生成するステップと、
それぞれの前記側波帯冷却レーザビームを使用して、前記イオン鎖内のイオンに関連する２つ以上の運動モードを、前記２つ以上の運動モードのそれぞれが運動基底状態に達するまで、並行冷却するステップと、
前記２つ以上の運動モードが前記運動基底状態に達した後に、前記イオン鎖を使用して、量子計算を実行するステップと、
を含む、方法。
【請求項２】
前記２つ以上の運動モードを並行冷却するステップは、
リポンプレーザビームを使用して、前記イオンを低エネルギー状態にリセットするステップと、
生成された前記側波帯冷却レーザビームとの運動依存レーザ相互作用を実行して、運動量子を前記イオンの前記低エネルギー状態から前記イオンの高エネルギー状態へ伝達するステップと、
前記イオンを再び前記低エネルギー状態にリセットするステップと、
からなるシーケンスをある回数繰り返すことを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記シーケンスを繰り返す前記回数は、前記２つ以上の運動モードの全てが前記運動基底状態に達することを保証する所定の回数である、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記リポンプレーザビームを使用して、前記イオンを低エネルギー状態にリセットするステップは、前記イオンの非同期リセットを可能にするために、それぞれのリポンプレーザビームを使用して、前記イオンのそれぞれを低エネルギー状態にリセットするステップを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記２つ以上の運動モードの数は、前記イオン鎖内のイオンの数に比例する、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記２つ以上の運動モードのそれぞれは、対応する側波帯冷却レーザビームを使用して、側波帯冷却するために、前記イオン鎖内にそれぞれのイオンを有する、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記２つ以上の運動モードが、前記イオン鎖に関する縦モードまたは軸モード、前記イオン鎖に関する横モードまたは半径方向モード、あるいはそれらの組合せを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記イオン鎖内の前記イオンは、２つ以上の種のイオンを含み、前記種のうちの１つは、共同冷却に使用され、
前記イオン鎖内の前記イオンに関連する前記２つ以上の運動モードの前記並行冷却は、共同冷却に使用される前記種の前記イオンを使用して実行され、
前記量子計算は、前記並行冷却が行われる間に、残りの前記種のうちの１つまたは複数で実行される、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記２つ以上の運動モードのうちの少なくとも１つは、２つ以上のイオンおよび前記側波帯冷却レーザビームのうちの２つ以上を使用して、側波帯冷却される、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
複数のイオンを有するイオン鎖を冷却するための量子情報処理（ＱＩＰ）システムであって、
前記イオン鎖内の各イオンに対して側波帯冷却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、
それぞれの前記側波帯冷却レーザビームを使用して前記イオン鎖内の前記イオンに関連する２つ以上の運動モードを、前記２つ以上の運動モードのそれぞれが運動基底状態に達するまで、並行冷却するように構成されたビームコントローラと、
前記２つ以上の運動モードが前記運動基底状態に達した後に、前記イオン鎖を使用して、量子計算を実行するように構成されたアルゴリズム部品と、
を含む、ＱＩＰシステム。
【請求項１１】
前記ビームコントローラは、前記２つ以上の運動モードを並行冷却するように構成され、さらに、
リポンプレーザビームを使用して、前記イオンを低エネルギー状態にリセットするステップと、
生成された前記側波帯冷却レーザビームとの運動依存レーザ相互作用を実行して、運動量子を前記イオンの前記低エネルギー状態から前記イオンの高エネルギー状態へ伝達するステップと、
前記イオンを再び前記低エネルギー状態にリセットするステップと、
からなるシーケンスをある回数繰り返すように構成される、請求項１０に記載のＱＩＰシステム。
【請求項１２】
前記シーケンスを繰り返す前記回数は、前記２つ以上の運動モードの全てが前記運動基底状態に達することを保証する所定の回数である、請求項１１に記載のＱＩＰシステム。
【請求項１３】
前記リポンプレーザビームを使用して、前記イオンを低エネルギー状態にリセットするステップは、前記イオンの非同期リセットを可能にするために、それぞれのリポンプレーザビームを使用して、前記イオンのそれぞれを低エネルギー状態にリセットするステップを含む、請求項１１に記載のＱＩＰシステム。
【請求項１４】
前記２つ以上の運動モードの数は、前記イオン鎖内のイオンの数に比例する、請求項１０に記載のＱＩＰシステム。
【請求項１５】
前記２つ以上の運動モードのそれぞれは、対応する側波帯冷却レーザビームを使用して、側波帯冷却するために、前記イオン鎖内にそれぞれのイオンを有する、請求項１０に記載のＱＩＰシステム。
【請求項１６】
前記２つ以上の運動モードが、前記イオン鎖に関する縦モードまたは軸モード、前記イオン鎖に関する横モードまたは半径方向モード、あるいはそれらの組合せを含む、請求項１０に記載のＱＩＰシステム。
【請求項１７】
前記イオン鎖内の前記イオンは、２つ以上の種のイオンを含み、前記種のうちの１つは、共同冷却に使用され、
前記ビームコントローラは、共同冷却に使用される前記種の前記イオンを使用することによって、前記イオン鎖内の前記イオンに関連する前記２つ以上の運動モードを並行冷却するように構成され、
前記アルゴリズム部品は、前記並行冷却が行われる間に、残りの前記種のうちの１つまたは複数を用いて、前記量子計算を実行するように構成される、
請求項１０に記載のＱＩＰシステム。
【請求項１８】
前記２つ以上の運動モードのうちの少なくとも１つは、２つ以上のイオンおよび前記側波帯冷却レーザビームのうちの２つ以上を使用して側波帯冷却される、請求項１０に記載のＱＩＰシステム。
【請求項１９】
複数のイオンを有するイオン鎖を冷却するための量子情報処理（ＱＩＰ）装置であって、
前記イオン鎖内の各イオンに対して側波帯冷却レーザビームを生成するための手段と、
それぞれの前記側波帯冷却レーザビームを使用して、前記イオン鎖内の前記イオンに関連する２つ以上の運動モードを、前記２つ以上の運動モードのそれぞれが運動基底状態に達するまで、並行冷却するための手段と、
前記２つ以上の運動モードが前記運動基底状態に達した後に、前記イオン鎖を使用して、量子計算を実行するための手段と、
を含む、ＱＩＰ装置。
【請求項２０】
前記イオン鎖内の前記イオンは、２つ以上の種のイオンを含み、前記種のうちの１つは、共同冷却に使用され、
前記イオン鎖内の前記イオンに関連する前記２つ以上の運動モードの前記並行冷却は、共同冷却に使用される前記種の前記イオンを使用して実行され、
前記量子計算は、前記並行冷却が行われる間に、残りの前記種のうちの１つまたは複数で実行される、
請求項１９に記載のＱＩＰ装置。
【請求項２１】
複数のイオンを有するイオン鎖を冷却するために、プロセッサによって実行可能な命令を有するコードを記憶するコンピュータ可読記憶媒体であって、
前記イオン鎖内の各イオンに対して側波帯冷却レーザビームを生成するためのコードと、
前記それぞれの側波帯冷却レーザビームを使用して、前記イオン鎖内の前記イオンに関連する２つ以上の運動モードを、前記２つ以上の運動モードのそれぞれが運動基底状態に達するまで、並行冷却するためのコードと、
前記２つ以上の運動モードが前記運動基底状態に達した後に、前記イオン鎖を使用して、量子計算を実行するためのコードと、
を含む、コンピュータ可読記憶媒体。
【請求項２２】
前記イオン鎖内の前記イオンは、２つ以上の種のイオンを含み、前記種のうちの１つは、共同冷却に使用され、
前記イオン鎖内の前記イオンに関連する前記２つ以上の運動モードの前記並行冷却は、共同冷却に使用される前記種の前記イオンを使用して実行され、
前記量子計算は、前記並行冷却が行われる間に、残りの前記種のうちの１つまたは複数で実行される、
請求項２１に記載のコンピュータ可読記憶媒体。
【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、２０１８年６月２９日に出願された「量子計算のためのイオン鎖の効率的な冷却」と題する米国仮特許出願第６２／６９２，０９９号、および２０１９年６月２４日に出願された「量子計算のためのイオン鎖の効率的な冷却」と題する米国特許出願第１６／４５０，７７９号の優先権および利益を主張し、それらの全体が参照により本明細書に明示的に組み込まれる。
【０００２】
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、量子計算における原子量子ビット（キュービット）に使用されるイオン鎖の効率的な冷却に関する。
【背景技術】
【０００３】
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。
【０００４】
大規模な量子計算を可能にするためには、イオン鎖内の物理量子ビット間で絡み合いゲートを実行することが必要である。そのために、トラップされた原子イオン（キュービット）による量子計算では、イオンの結合動作を利用して絡み合いゲートを作り出す。初期運動状態はゲート操作に影響を及ぼすため、通常、量子計算の開始時または（共同冷却を使用している場合）中に、イオンは最初に運動基底状態に近い状態に冷却される。冷却される必要がある運動モードの数は、イオンの数に比例する。伝統的に、運動モードは連続的に冷却され、すなわち、次の運動モードは、前の運動モードが冷却された後にのみ冷却される。原子イオンの数が増加すると、これによって総冷却時間が長くなる。
【０００５】
冷却プロセスが長くなるにつれて、イオントラップ電極内の電界ゆらぎからの運動モードの加熱は、次いで、冷却プロセスを圧倒し得るノイズを引き起こし得る。したがって、より速い冷却方法を実施することが有利になる。したがって、イオン鎖のより効率的な冷却を可能にする技術が望ましい。
【発明の概要】
【０００６】
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発明の概要を提示する。この発明の概要は、全ての企図された態様の広範な概観ではなく、全ての態様の主要または重要な要素を識別することも、任意または全ての態様の範囲を線引き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。
【０００７】
本開示は、イオンの数とともに実行時間内に成長しない、結合した運動基底状態の近くまでイオンの鎖を冷却するための技術を記載する。各イオンを個別にアドレス指定し、各イオンを使用して異なる運動モードを冷却することによって、複数の運動モードを同時冷却することが可能である。一例では、全運動モードの３分の１を同時に冷却することが可能である。他の例では、異なる数の全運動モードを冷却することができる。
【０００８】
本開示の一態様では、複数のイオンを有するイオン鎖を冷却するための方法であって、イオン鎖内の各イオンに対して側波帯冷却レーザビームを生成することを含む方法が記載される。それぞれの側波帯冷却レーザビームを使用して、イオン鎖内のイオンに関連する２つ以上の運動モードを、２つ以上の運動モードのそれぞれが運動基底状態に達するまで、並行冷却するステップと、２つ以上の運動モードが運動基底状態に達した後、イオン鎖を用いて量子計算を行う。
【０００９】
本開示の別の態様では、複数のイオンを有するイオン鎖を冷却するための量子情報処理（ＱＩＰ）システムであって、イオン鎖内の各イオンに対して側波帯冷却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、それぞれの側波帯冷却レーザビームを使用して、イオン鎖内のイオンに関連する２つ以上の運動モードを、２つ以上の運動モードのそれぞれが運動基底状態に達するまで、並行冷却するように構成されたビームコントローラと、２つ以上の運動モードが運動基底状態に達した後に、イオン鎖を使用して、量子計算を実行するように構成されたアルゴリズム部品と、を含むＱＩＰシステムが記載される。
【００１０】
本開示の別の態様では、複数のイオンを有するイオン鎖を冷却するためのプロセッサによって実行可能な命令を有するコードを記憶するコンピュータ可読記憶媒体であって、イオン鎖内の各イオンに対して側波帯冷却レーザビームを生成するためのコードと、コンピュータ可読記憶媒体が記載される。それぞれの側波帯冷却レーザビームを使用して、イオン鎖内のイオンに関連する２つ以上の運動モードを、２つ以上の運動モードのそれぞれが運動基底状態に達するまで、並行冷却するためのコードと、２つ以上の運動モードが運動基底状態に達した後に、イオン鎖を用いて量子計算を実行するためのコードと、を含むコンピュータ可読記憶媒体が記載される。
【００１１】
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】
【００１２】
【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】順次側波帯冷却プロセスの一例を示すダイアグラムである。
【図３】本開示の態様に従って、ポテンシャルに閉じ込められた４つのイオンを有する鎖の一例を示すダイアグラムである。
【図４】本開示の態様に従って、Ｎ＝４の運動モードのセットの分布の一例を示すダイアグラムである。
【図５Ａ】本開示の態様に従って、図４のモードのイオン運動振幅のセットの例を示すダイアグラムである。
【図５Ｂ】本開示の態様に従って、図４のモードのイオン運動振幅のセットの例を示すダイアグラムである。
【図６】本開示の態様に従って、側波帯冷却プロセスの並列化または並行性の一例を示すダイアグラムである。
【図７】本開示の態様に従うコンピュータ装置の一例を示すダイアグラムである。
【図８】本開示の態様に従う方法の一例を示すフロー図である。
【図９Ａ】本開示の態様に従う量子情報処理（ＱＩＰ）システムの一例を示すブロック図である。
【図９Ｂ】本開示の態様に従う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】
【００１３】
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。
【００１４】
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、トラップされた原子イオンの結晶中の運動モードを冷却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。
【００１５】
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、クーロン反発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。
【００１６】
本開示は、イオン鎖（例えば、イオンの格子または結晶）を、イオンの数とともに実行時間内に成長しない結合された運動基底状態の近くまで冷却するための技術を説明する。各イオンを個別にアドレス指定し、各イオンを使用して、異なる運動モードを冷却することにより、運動モードを同時に冷却することが可能である。一例では、全運動モードの３分の１を同時に冷却することが可能である。
【００１７】
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。
【００１８】
個々のトラップされた原子イオンの強い蛍光は、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読み出しを可能にする強力な閉じた光学遷移のために選択された原子イオン種による光子の効率的な循環に依存する。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。
【００１９】
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。本開示で論じられるように、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。
【００２０】
│↑＞⇔│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）。
【００２１】
│↑＞⇔│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。
【００２２】
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。
【００２３】
ドップラーレーザ冷却に加えて、イオンの側波帯冷却のプロセスも使用される。このプロセスでは、レーザビームまたはレーザビームの組合せを使用して、トラップされたイオンの集団の量子化された集団運動から単一または複数の運動量子を除去する。図２は、側波帯冷却のために現在使用されている逐次的技術を記述するダイアグラム２００を示す。側波帯冷却は、図２のダイアグラム２００に示すように、以下のステップで進行する。（１）「リポンプ」レーザビーム（例えば、２１０参照）を使用して、イオンを低エネルギー状態にリセットする。（２）運動依存レーザ相互作用が、１つの運動量子を状態変化させて、下部内部エネルギー状態から上部内部エネルギー状態に伝達する（例えば、２２０参照）。（３）イオンを、再びリセットする。（４）大部分または全部のエネルギー量子を除去するまで、（２）から繰り返す。
【００２４】
ステップ（２）のタイミングは、量子除去の速度を最大にするために、ステップ（４）に示された繰り返しにわたって変化する。タイミングは、また、冷却されている特定の運動状態に対して変化し得る。原子／イオン上の高品質な量子操作を可能にするのに十分な運動量子を除去するには、数十回から数百回（またはそれ以上）の繰り返しが必要になり得る。イオン鎖について、このプロセスは、通常、集合的な運動モードのそれぞれについて、繰り返され得る。
【００２５】
図２の例では、２つの運動モード（例えば、運動モード１（２１０ａ）および運動モード２（２１０ｂ））が、「リポンプ」レーザビーム操作２１０に関連して示されているが、追加の運動モードも、最初の２つの運動モードを冷却した後に冷却することができる。また、図２に示されているのは、運動伝達操作２２０であり、この操作で、上述のステップ（２）で説明したように、運動依存レーザ相互作用が、１つの運動量子を状態変化させて、下部内部エネルギー状態から上部内部エネルギー状態に伝達する。その後の各伝達は、特定の運動モードが最終的にその運動基底状態に達し、次の運動モードを側波帯冷却することができるまで、より長い時間を要することが示されている。
【００２６】
上述の逐次（例えば、連続的または直列的）側波帯冷却とは対照的に、本開示は、複数のモード上での同時または並行（例えば、並列）モード冷却を記載しており、これは、全てのモードを冷却するために必要な時間を大幅に減少させることができる。例示の目的で、この並行または同時プロセスを、４つのイオンを有する例を用いて説明する。しかしながら、この技法は、共通のトラップウェル、または別個のトラップウェル、またはその２つの組合せにトラップされた任意の数のイオンに適用することができる。
【００２７】
図３は、４つのイオンがポテンシャルに（例えば、パウルトラップ内で）完全に閉じ込められたダイアグラム３００を示す。Ｎ個のイオンについては、３×Ｎ個の組み合わされた運動モードがあり、通常、Ｎ個のモードの３つの別個のグループを形成する。この例では、Ｎ個のモードのグループのうちの１つが使用される。しかしながら、この方法は、側波帯冷却レーザビーム（例えば、アドレス指定ビーム３１０ａ、３１０ｂ、３１０ｃ、および３１０ｄ）に結合する任意のＮ個のモードに対処することができる。２つ以上のイオンからなる鎖については、Ｎ≧２である。
【００２８】
図４は、Ｎ＝４個のモードについて、Ｎ個の運動モード周波数のセットの分布の一例を有するダイアグラム４００を示す。運動モードは、イオン鎖に関する１つまたは複数の縦モードまたは軸モード、イオン鎖に関する１つまたは複数の横モードまたは半径方向モード、あるいはそれらの組合せを含むことができる。
【００２９】
図５Ａおよび図５Ｂは、Ｎ＝４個のモードのそれぞれについて、イオン運動振幅の例示的なセットを説明するダイアグラム５００、５１０、５２０、および５３０を示す。ダイアグラム５００において、周波数ｆ１に関連する図４からの運動モード１（モード１）は、４イオン鎖内の第二のイオン（イオン２：斜線付き）によってアドレス指定される。ダイアグラム５１０において、周波数ｆ２に関連する図４からの運動モード２（モード２）は、４イオン鎖内の第三のイオン（イオン３：斜線付き）によってアドレス指定される。ダイアグラム５２０において、周波数ｆ３に関連する図４からの運動モード３（モード３）は、４イオン鎖内の第四のイオン（イオン４：斜線付き）によってアドレス指定される。ダイアグラム５３０において、周波数ｆ４に関連する図４からの運動モード４（モード４）は、４イオン鎖内の第一のイオン（イオン１：斜線付き）によってアドレス指定される。
【００３０】
図３に示すように、各イオンは、側波帯冷却レーザ（またはレーザの組合せ）によって、別々にアドレス指定される。各アドレス指定ビーム（例えば、アドレス指定ビーム１（３１０ａ）、２（３１０ｂ）、３（３１０ｃ）、および４（３１０ｄ））は、図４とは異なる運動モードと相互作用するように同調される。最適な冷却のために、各ビームがアドレス指定するイオンは、運動モードにおいて大きな振幅を持たねばならない。そのビームが同調される図５Ａおよび図５Ｂを参照されたい。
【００３１】
各ビームは、鎖内の特定のイオンと特定のモードの両方で局在化するので、運動量子をイオンの内部状態に伝達するステップ（２）のプロセスは、各ビームについて、ほぼ独立しており、同時に、または並行して、生じる可能性がある。リセットするステップ（１）および（３）は、全てのイオン間で同じであり、共通である。図２からの運動状態の逐次的アドレス指定は、ここでは、図６のダイアグラム６００に示すように、これらの状態の並列冷却によって置き換えられる。この並列化によって、イオン鎖を冷却するのに必要な時間がＮ分の１に短縮される。
【００３２】
上述の同時または並行側波帯冷却のための一般的な技法に加えて、別個のレーザビームでイオンを個別にアドレス指定する能力に基づいて、他の態様を実施することもできる。例えば、第一の態様では、鎖内のイオンは、２つ以上の種または同位体（例えば、１つのタイプのイオンは１７１Ｙｂ＋であり、別のタイプのイオンは１７１Ｙｂ＋とは異なり、共同冷却に使用される）であってもよい。これによって、量子操作の間に（量子操作を実行する前に、側波帯冷却が完了するまで待つのとは対照的に）、共同冷却することが可能になる。別の態様では、単一運動モードは、２つ以上のイオンおよび２つ以上のレーザビームによってアドレス指定されてもよい。この場合の冷却パルスは、逐次的に印加されてもよく、リポンプを適用する前に、２つ以上の量子を複数のイオンに伝達する。さらに別の態様では、リポンプビームは、各イオン上の側波帯冷却を、全てのイオンにわたってリポンプパルスを整列させる必要なしに、非同期に実行できるように、個別にアドレス指定することができる。
【００３３】
鎖内のイオンを個別にアドレス指定することによるって、複数の運動モードを同時または並行側波帯冷却するための技法に関連する追加の詳細およびコンテキストについて、以下で説明する。
【００３４】
鎖（例えば、イオン結晶またはイオン格子）内のイオンを運動の基底状態（運動基底状態）に冷却することは、任意の量子操作または計算のための開始ステップの１つである。これは、一般に、種々のレーザ相互作用を介して行われる。課題の１つは、イオンの数（例えば、量子ビットの数）が増加するにつれて、イオンを冷却するために考慮する必要のある自由度の数が増えることである。したがって、イオンの数が増加するにつれて、イオンを冷却するのに要する時間も長くなり、その結果、量子操作または計算を実行するよりも多くの時間がイオンを冷却するのに費やされるという不都合な条件をもたらす可能性がある。さらに、イオントラップ（例えば、パウルトラップ）は、最終的にイオンを加熱することになり、イオンに対して実行される冷却に対抗する。
【００３５】
本明細書で説明する量子情報処理（ＱＩＰ）システムは、鎖内の各イオンを個別にアドレス指定することができるので、これらの機能を使用して、セット内の運動モードの全て（または可能な運動モードの少なくとも３分の１）の冷却を並列化することが可能である。このように、各イオンが大部分独立しているので、各イオンに異なる運動モードを同時に、または並行してアドレス指定することが可能である。したがって、量子を除去する繰り返しプロセスは、全ての運動モードについて運動基底状態に達するまで、全てのＮ個のモードについて同時に実行することができる。
【００３６】
運動モードとは、通常の運動モードを指すことができる。例えば、鎖内のイオンは、ばねの鎖上の重りのように振る舞うことができ（例えば、振動子を結合する）、それらの運動は、１組の振動周波数によって表すことができる。したがって、運動モードは、異なる振動周波数に対応し得る。通常の運動モードは、非干渉自由度を表すことがあり、一つのモードを励起させても、必ずしもその他のモードを励起させないことが可能であり得る。この非干渉であることにより、一つの通常モードが高温になり（例えば、励起され）、別の通常モードが低温になる（例えば、励起されない）こともあり得る。したがって、量子操作または計算のためにイオン鎖を準備するのに、別個または非干渉の通常の運動モード（例えば、運動モード）を冷却することが必要な場合がある。
【００３７】
イオンを側波帯冷却するための以前の技術は、上述のような逐次冷却に依存していた。すなわち、第一の運動モードが冷却され、次に第二の運動モードが冷却され、次に第三の運動モードが冷却され、全ての運動モードが冷却されるまで続く。これらの技法には、いくつかの問題がある。第一は、このプロセスが完了するのに長い時間を要することであり、第二は、このプロセスが完了する前に、以前のモードが加熱し始めることである。したがって、この逐次アプローチは、特に、量子計算および操作に必要とされるイオンの数が増加するにつれて、スケーラブルではない。
【００３８】
上述の逐次冷却に関連する問題は、本明細書に記載のＱＩＰシステムによってサポートされるイオンの個々のアドレス指定によって克服することができる。イオンの個々のアドレス指定によって、様々な最適化手法も可能になる。例えば、Ｎ＝３（３つの運動モードまたは通常の運動モード）の場合、各イオンに個別のレーザビームを使用して各イオンの運動を制御できる場合がある。したがって、これは、３つのイオンおよび３つの通常モードの場合である。モードの１つは、中心イオンまたは中央イオンが移動しないようなものでも、あるいは運動に全く寄与しないようなものでもよい。このような場合、中心イオンまたは中央イオンにレーザビームを照射することは、中央イオンが結合されないため非効率的である。この例に基づいて、特定のイオンが特定の運動モード（例えば、この例では末端イオン）により効果的に結合し、特定のイオン（例えば、中心イオンまたは中央イオン）が解放されることは明らかである。したがって、どの１つ（または複数）のイオンが特定の運動モードを冷却するのに最も適しているかを識別し、次いで、そのイオンを通してその運動モードを冷却するために、それぞれの運動モードに関連する周波数で、その特定のイオンにレーザビームを照射または提供することが可能である。上述のように、図４のダイアグラム４００は、Ｎ＝４についての異なる周波数の異なるモードへの対応の例を示し、一方、図５Ａおよび図５Ｂのダイアグラム５００、５１０、５２０、および５３０は、異なるイオンが異なるモード／周波数に対してどのように使用され得るかの例を示す。
【００３９】
上述のように、冷却は増分的（ｉｎｃｒｅｍｅｎｔａｌ）であり、一連の繰り返されるステップ（例えば、上記のステップ（１）、（２）、（３）、および（４）参照）において、各ステップで各運動モードから１つのエネルギー量子の除去を必要とする。一般に、鎖内の情報量子ビットは、グランドにセットまたはリセットされ、次いで、レーザビーム（例えば、ゲートレーザ）を使用して伝達が行われる。全てのイオンは、そのそれぞれのゲートレーザによって、同時に、または並行して衝突され、これらのレーザのそれぞれは、特定のモードにアドレス指定するために特定の周波数に同調される（例えば、図３および図４を参照のこと）。各レーザは、１つの量子を内部情報状態に引き込み、次いで、情報が失われるか、または破壊されるように消去されるが、１つの量子が運動から除去される。このプロセスは、ゲートビームまたはゲートレーザをイオンと相互作用させて、運動情報を内部状態に引き上げ、次いで、消去が複数回繰り返される。いくつかの例では、複数のレーザを同じ周波数に同調させて、同じモードに対処し、そのモードから一度に複数の運動量子を除去することができる。
【００４０】
同時または並行側波帯冷却中に実行することができる追加の最適化は、ゲートレーザまたはビームがそのそれぞれのイオンと相互作用する時間量が、別のゲートレーザまたはビームがそれ自体のそれぞれのイオンと相互作用する時間量と異なる場合があることである。すなわち、異なる運動モードをアドレス指定するための異なるイオンとの相互作用は、異なる時間量を要することがある。
【００４１】
実行され得る別の最適化は、異なる動作モードまたはイオンに対して、異なる時間に消去する（例えば、運動量子を除去する）ことを含む。
【００４２】
最適化を必要とし得る他の態様は、特定の運動モードの周波数が非常に接近している場合を含み、これらのモードのそれぞれのビームが互いに接近している場合に、運動モードを個別にアドレス指定することは困難なことがある。一つのアプローチは、近接したモードごとにイオンを選択することであり得、そのイオンがそのモードのみに強く結合し、他のモードには結合しないという基準を用いる。結合強度の変化は、図５Ａおよび図５Ｂのダイアグラムにおける運動振幅によって示される。
【００４３】
また、上述したように、典型的には、２つの異なる冷却段階がある。第一に、ドップラー冷却があり、第二に、側波帯冷却がある。ドップラー冷却は、典型的には、運動量子の量を数個の量子にすることができるが、運動基底状態まで完全に下がるわけではない。したがって、ドップラー冷却は運動モードを数個の量子まで下げることになるが、これは第一の冷却段階にとって妥当である。側波帯冷却の場合、残りの運動量子が除去され、運動モードが運動基底状態になる。一般に、ステップまたは繰り返しの回数は、除去プロセスが、動作モードのいずれにおいても運動量子が残っていないことを保証する所定の繰り返し回数の間、実行されるように決定され得る。
【００４４】
図２および図６に示すように、量子の数が少なくなるにつれて、次の量子を運動モードから除去するのに長い時間を要する（例えば、長い時間を要すると、パルス幅が広くなる）。これは、部分的には、量子のうちの１つを吸収し、次いで、リセットする量子ビット内の遷移（例えば、システム／モードからエントロピーを得るプロセス）に要する時間のためである。あらゆる追加の運動量子を除去するのに要する時間量が長くなるため、図２および図６の運動伝達レーザビームのパルス幅の変化によって示されるように、各ステップまたは繰り返しに費やされる時間量を制御する必要がある。
【００４５】
考慮すべきもう１つの態様および上述の態様は、トラップ電極における制御されない電界変動のため、およびイオンが荷電粒子であるため、イオンはイオントラップ内の電極によって加熱されることになることである。この効果は、加熱速度と呼ばれる。したがって、同時または並行側波帯冷却の利点の１つは、運動モードが再び加熱され始める前に（例えば、加熱速度のために）量子計算または演算を実行するのに十分な時間があるほど効率的かつ高速であることである。全体として、冷却速度が加熱速度よりも速いことが望ましい。
【００４６】
指摘すべき１つのことは、全ての運動モードが同じ速度で加熱されるわけではないことである。例えば、共通モード（例えば、同じ方向の運動を伴う）は、ゆっくりと変動する電界（または、モードの空間周波数の長さスケールにわたって一様である傾向のある電界）で励起されやすくなり、一方、差動モード（例えば、異なる方向の運動を伴う）は、励起されるべき迅速に変動する電界（または、モードの空間周波数と比較して高い空間周波数を有する電界）を必要とし得る。したがって、同時または並行側波帯冷却に関連する別の最適化機会は、より速く加熱し、より少ない時間を費やす運動モードを冷却するために、費やす時間とリソース（例えば、レーザービーム）をより増やすことも、加熱が遅い運動モードを冷却するために費やすリソースを減らすことも可能なことである。例えば、より多くのイオンとレーザビームを割り当てて、より速く加熱する運動モードを冷却することが可能である。一例では、冷却する必要の運動モードが１つ残っている場合、２つ以上のイオンおよびレーザビームを割り当てて、その運動モードから任意の残りの運動量子をより迅速に除去することが可能である。
【００４７】
本明細書に記載のＱＩＰシステム（例えば、図９Ａおよび図９Ｂ参照）と、それを並行または同時側波帯冷却に適用することのさらなる利点は、上述のように、量子計算または操作も実行しながら共同冷却を実行する能力である。２つの異なるタイプのイオンまたは同位体を、計算用の少なくとも１つのタイプ（原子種または同位体）と、計算イオンの間に散在するクーラント（冷却またはクーラントイオン）用の少なくとも１つのタイプ（原子種または同位体）がある場合に使用することによって、計算イオンが量子計算または操作を実行するために使用されている間に、近くの計算イオンを冷却するためにクーラントイオンを使用することが可能である。１つの最適化の機会は、クーラントイオン（共同イオン）を配置または位置決めすることであり、そこで、クーラントイオンは、運動モードに寄与し、これらの運動モードの冷却を支援する。
【００４８】
同時または並行側波帯冷却を含む効率的な冷却プロセスについて上述した様々な態様は、図２〜図６の４イオン鎖に関連して説明した関連する例とともに、様々な装置またはシステムによって、方法またはプロセスとして実行することができる。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、図７〜図９Ｂに関連して、以下でさらに説明する。
【００４９】
ここで、図７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７００が示されている。コンピュータ装置７００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７００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７００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、運動モードの並行または同時側波帯冷却に関与する技術も含め、効率的な冷却のための方法またはプロセスを実装することができる。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７００の一般的な例が、図９Ａおよび図９Ｂに表す例に示される。
【００５０】
一例では、コンピュータ装置７００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７１０を含むことができる。例えば、プロセッサ７１０は、運動モードの並行または同時側波帯冷却の側面を制御、調整、および／または実行するように、また冷却（例えば、共同冷却）が実行されている間の量子計算または動作の側面を制御、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７１０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７１０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７１０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７１０は、コンピュータ装置７００の一般的なプロセッサを意味することもでき、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７１０を含むこともできる。
【００５１】
一例では、コンピュータ装置７００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７１０によって実行可能な命令を格納するメモリ７２０を含んでもよい。一実装では、例えば、メモリ７２０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７２０は、図８に関連して以下で説明する方法８００の態様を実行するための命令を含み得る。プロセッサ７１０と同様に、メモリ７２０は、コンピュータ装置７００の一般的なメモリ７２０を意味することができ、より具体的な機能のための命令および／またはデータを格納すべく、追加のメモリ７２０を含むこともできる。
【００５２】
さらに、コンピュータ装置７００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７３０を含むことができる。通信部品７３０は、コンピュータ装置７００上の部品間でも、コンピュータ装置７００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７００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７３０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。
【００５３】
さらに、コンピュータ装置７００は、データストア７４０を含むことができ、データストア７４０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７４０は、オペレーティングシステム７６０（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。一実装では、データストア７４０は、メモリ７２０を含むことができる。
【００５４】
コンピュータ装置７００は、また、コンピュータ装置７００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７５０を含むことができる。ユーザインタフェース部品７５０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７５０は、１つまたは複数の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。
【００５５】
一実装では、ユーザインタフェース部品７５０は、オペレーティングシステム７６０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７１０は、オペレーティングシステム７６０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７２０またはデータストア７４０は、それらを格納することができる。
【００５６】
コンピュータ装置７００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７５０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７００とリモートで対話できるようにすることが可能になる。
【００５７】
図８は、本開示の態様に従って、複数のイオンを有するイオン鎖を冷却するための方法８００の一例を示すフロー図である。一態様では、方法８００は、上述のコンピュータ装置７００のようなコンピュータシステムで（例えば、コンピュータシステムの動作の一部として）実行されてもよく、ここで、例えば、方法８００の機能を実行または制御するために、プロセッサ７１０、メモリ７２０、データストア７４０、および／またはオペレーティングシステム７６０が使用されてもよい。同様に、方法８００の機能は、ＱＩＰシステム９００およびその部品（例えば、光学コントローラ９２０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９Ａおよび図９Ｂに関連して以下でより詳細に説明する。
【００５８】
８１０において、方法８００は、イオン鎖内の各イオンに対して側波帯冷却レーザビームを生成するステップを含む。
【００５９】
８２０において、方法８００は、それぞれの側波帯冷却レーザビームを使用して、イオン鎖内のイオンに関連する２つ以上の運動モードを、２つ以上の運動モードのそれぞれが運動基底状態に達するまで、並行して冷却するステップを含む。
【００６０】
８３０において、方法８００は、２つ以上の運動モードが運動基底状態に達した後に、イオン鎖を使用して、量子計算を実行するステップを含む。
【００６１】
方法８００の別の態様では、２つ以上の運動モードを並行して冷却するステップは、リポンプレーザビームを使用して、前記イオンを低エネルギー状態にリセットするステップと、生成された側波帯冷却レーザビームとの運動依存レーザ相互作用を実行して、運動量子をイオンの低エネルギー状態からイオンの高エネルギー状態へ伝達するステップと、イオンを再び低エネルギー状態にリセットするステップと、からなるシーケンスをある回数繰り返すように構成される。シーケンスを繰り返す回数は、２つ以上の運動モードの全てが運動基底状態に達することを保証する所定の回数である。リポンプレーザビームを使用して、イオンを低エネルギー状態にリセットするステップは、イオンの非同期リセットを可能にするために、それぞれのリポンプレーザビームを使用して、イオンのそれぞれを低エネルギー状態にリセットするステップを含むことができる。
【００６２】
方法８００の別の態様では、２つ以上の運動モードの数は、イオン鎖内のイオンの数に比例する。
【００６３】
方法８００の別の態様では、２つ以上の運動モードのそれぞれは、対応する側波帯冷却レーザビームを使用して側波帯冷却するために、イオン鎖内にそれぞれのイオンを有する。
【００６４】
方法８００の別の態様では、２つ以上の運動モードが、イオン鎖に関する縦モードまたは軸モード、イオン鎖に関する横モードまたは半径方向モード、あるいはそれらの組合せを含む。
【００６５】
方法８００の別の態様では、イオン鎖内のイオンは、２つ以上の種のイオンを含み、種のうちの１つは、共同冷却に使用され、イオン鎖内のイオンに関連する２つ以上の運動モードの並行冷却は、共同冷却に使用される前記種の前記イオンを使用して実行され、量子計算は、並行冷却が行われる間に、残りの種のうちの１つまたは複数で実行される。
【００６６】
方法８００のさらに別の態様では、２つ以上の運動モードのうちの少なくとも１つは、２つ以上のイオンおよび２つ以上の側波帯冷却レーザビームを使用して側波帯冷却される。
【００６７】
図９Ａは、本開示の態様に従うＱＩＰシステム９００の一例を示すブロック図である。ＱＩＰシステム９００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９００は、図７のコンピュータ装置７００の量子コンピュータ実装の部分に対応し得る。
【００６８】
ＱＩＰシステム９００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９２０（例えば、図９Ｂを参照）によって一旦イオン化された（例えば、光イオン化された）原子種をトラップするイオントラップ９７０を有するチャンバ９５０に提供するソース９６０を含むことができる。光学コントローラ９２０内の光源９３０（例えば、ビームを生成するレーザ）は、１つまたは複数のレーザ光源を含み得る。レーザ光源は、原子種のイオン化、原子イオンの制御（例えば、位相制御）のために、光学コントローラ９２０内の撮像システム９４０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／またはドップラー冷却および運動モードの並行または同時側波帯冷却を含む、本開示に記載の光冷却機能を実行するために、使用することができる。一態様では、光源９３０は、光学コントローラ９２０とは別個に実装され得る。
【００６９】
撮像システム９４０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９７０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９４０は、光学コントローラ９２０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９２０と調整する必要がある場合もある。
【００７０】
ＱＩＰシステム９００は、また、ＱＩＰシステム９００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９１０も含むことができる。そのように、アルゴリズム部品９１０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９００の様々な部品（例えば、光学コントローラ９２０）に命令を提供してもよい。一例では、アルゴリズム部品９１０は、並行または同時側波帯冷却に関連して上記で説明したように、側波帯冷却が完了した後、または共同冷却技術が適用されている場合は側波帯冷却中に、量子計算または操作の実行を実行、調整、および／または命令することができる。
【００７１】
図９Ｂは、光学コントローラ９２０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９２０は、ビームコントローラ９２１と、光源９３０と、撮像システム９４０とを含むことができる。点線によって示すように、光源９３０と撮像システム９４０の一方または双方は、光学コントローラ９２０とは別個であるが、光学コントローラ９２０と通信するように実装され得る。撮像システム９４０は、ＣＣＤ９４１（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９４２とを含む。光源９３０は、変調器９２５と、複数のレーザ源９３５ａ、…、９３５ｂとを含み、レーザ源は、（例えば、冷却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。
【００７２】
ビームコントローラ９２１は、量子論理ゲートに適用されるように、および／または量子ビット間の一般化相互作用に関連して、制御場によって媒介される原子量子ビット上の量子位相をコヒーレントに制御するために、本明細書に記載される種々の態様を実行するように構成される。ビームコントローラ９２１は、イオン鎖の運動モード（例えば、イオントラップ９７０内の結晶または格子内のイオン）の冷却の第一段階を実行するためにレーザビームを使用するように構成されたドップラー冷却部品９２２を含んでもよい。また、ビームコントローラ９２１は、イオン鎖の運動モードの冷却の第二段階のために、本明細書に記載される種々の態様を実行すべく、並行運動モード冷却部品９２４を有する側波帯冷却部品９２３を含んでもよく、冷却の第二段階は、運動モードの並行または同時（例えば、非連続的）冷却を含む。一実装では、ドップラー冷却部品９２２および側波帯冷却部品９２３は、同じ部品の一部とすること、および／またはビームコントローラ９２１とは別個であるが、ビームコントローラ９２１と通信するように実装することができる。
【００７３】
光学コントローラ９２０の様々な部品は、本開示で説明される各種機能、例えば、図８の方法８００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９２０の様々な部品は、本開示で説明される各種機能、例えば、図８の方法８００を実行するために、ＱＩＰシステム９００の部品のうちの１つまたは複数とともに動作し得る。
【００７４】
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】
2021530040.tif 000003
【図１Ｂ】
2021530040.tif 000004
【図１Ｃ】
2021530040.tif 000005
【図２】
2021530040.tif 000006
【図３】
2021530040.tif 000007
【図４】
2021530040.tif 000008
【図５Ａ】
2021530040.tif 000009
【図５Ｂ】
2021530040.tif 000010
【図６】
2021530040.tif 000011
【図７】
2021530040.tif 000012
【図８】
2021530040.tif 000013
【図９Ａ】
2021530040.tif 000014
【図９Ｂ】
2021530040.tif 000015
【手続補正書】
【提出日】令和2年4月29日(2020.4.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のイオンを有するイオン鎖を冷却するための方法であって、
前記イオン鎖内の各イオンに対して側波帯冷却レーザビームを生成するステップと、
それぞれの前記側波帯冷却レーザビームを使用して、前記イオン鎖内のイオンに関連する２つ以上の運動モードを、前記２つ以上の運動モードのそれぞれが運動基底状態に達するまで、並行冷却するステップと、
前記２つ以上の運動モードが前記運動基底状態に達した後に、前記イオン鎖を使用して、量子計算を実行するステップと、
を含む、方法。
【請求項２】
前記２つ以上の運動モードを並行冷却するステップは、
リポンプレーザビームを使用して、前記イオンを低エネルギー状態にリセットするステップと、
生成された前記側波帯冷却レーザビームとの運動依存レーザ相互作用を実行して、運動量子を前記イオンの前記低エネルギー状態から前記イオンの高エネルギー状態へ伝達するステップと、
前記イオンを再び前記低エネルギー状態にリセットするステップと、
からなるシーケンスをある回数繰り返すことを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記シーケンスを繰り返す前記回数は、前記２つ以上の運動モードの全てが前記運動基底状態に達することを保証する所定の回数である、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記リポンプレーザビームを使用して、前記イオンを低エネルギー状態にリセットするステップは、前記イオンの非同期リセットを実行するために、それぞれのリポンプレーザビームを使用して、前記イオンのそれぞれを低エネルギー状態にリセットするステップを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記２つ以上の運動モードの数は、前記イオン鎖内のイオンの数に比例する、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記２つ以上の運動モードのそれぞれは、対応する側波帯冷却レーザビームを使用して、側波帯冷却するために、前記イオン鎖内にそれぞれのイオンを有する、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記２つ以上の運動モードが、前記イオン鎖に関する縦モードまたは軸モード、前記イオン鎖に関する横モードまたは半径方向モード、あるいはそれらの組合せを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記イオン鎖内の前記イオンは、２つ以上の種のイオンを含み、前記種のうちの１つは、共同冷却に使用され、
前記イオン鎖内の前記イオンに関連する前記２つ以上の運動モードの前記並行冷却は、共同冷却に使用される前記種の前記イオンを使用して実行され、
前記量子計算は、前記並行冷却が行われる間に、残りの前記種のうちの１つまたは複数で実行される、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記２つ以上の運動モードのうちの少なくとも１つは、２つ以上のイオンおよび前記側波帯冷却レーザビームのうちの２つ以上を使用して、側波帯冷却される、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
複数のイオンを有するイオン鎖を冷却するための量子情報処理（ＱＩＰ）システムであって、
前記イオン鎖内の各イオンに対して側波帯冷却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、
それぞれの前記側波帯冷却レーザビームを使用して前記イオン鎖内の前記イオンに関連する２つ以上の運動モードを、前記２つ以上の運動モードのそれぞれが運動基底状態に達するまで、並行冷却するように構成されたビームコントローラと、
前記２つ以上の運動モードが前記運動基底状態に達した後に、前記イオン鎖を使用して、量子計算を実行するように構成されたアルゴリズム部品と、
を含む、ＱＩＰシステム。
【請求項１１】
前記ビームコントローラは、前記２つ以上の運動モードを並行冷却するように構成され、さらに、
リポンプレーザビームを使用して、前記イオンを低エネルギー状態にリセットするステップと、
生成された前記側波帯冷却レーザビームとの運動依存レーザ相互作用を実行して、運動量子を前記イオンの前記低エネルギー状態から前記イオンの高エネルギー状態へ伝達するステップと、
前記イオンを再び前記低エネルギー状態にリセットするステップと、
からなるシーケンスをある回数繰り返すように構成される、請求項１０に記載のＱＩＰシステム。
【請求項１２】
前記シーケンスを繰り返す前記回数は、前記２つ以上の運動モードの全てが前記運動基底状態に達することを保証する所定の回数である、請求項１１に記載のＱＩＰシステム。
【請求項１３】
前記リポンプレーザビームを使用して、前記イオンを低エネルギー状態にリセットするステップは、前記イオンの非同期リセットを実行するために、それぞれのリポンプレーザビームを使用して、前記イオンのそれぞれを低エネルギー状態にリセットするステップを含む、請求項１１に記載のＱＩＰシステム。
【請求項１４】
前記２つ以上の運動モードの数は、前記イオン鎖内のイオンの数に比例する、請求項１０に記載のＱＩＰシステム。
【請求項１５】
前記２つ以上の運動モードのそれぞれは、対応する側波帯冷却レーザビームを使用して、側波帯冷却するために、前記イオン鎖内にそれぞれのイオンを有する、請求項１０に記載のＱＩＰシステム。
【請求項１６】
前記２つ以上の運動モードが、前記イオン鎖に関する縦モードまたは軸モード、前記イオン鎖に関する横モードまたは半径方向モード、あるいはそれらの組合せを含む、請求項１０に記載のＱＩＰシステム。
【請求項１７】
前記イオン鎖内の前記イオンは、２つ以上の種のイオンを含み、前記種のうちの１つは、共同冷却に使用され、
前記ビームコントローラは、共同冷却に使用される前記種の前記イオンを使用することによって、前記イオン鎖内の前記イオンに関連する前記２つ以上の運動モードを並行冷却するように構成され、
前記アルゴリズム部品は、前記並行冷却が行われる間に、残りの前記種のうちの１つまたは複数を用いて、前記量子計算を実行するように構成される、
請求項１０に記載のＱＩＰシステム。
【請求項１８】
前記２つ以上の運動モードのうちの少なくとも１つは、２つ以上のイオンおよび前記側波帯冷却レーザビームのうちの２つ以上を使用して側波帯冷却される、請求項１０に記載のＱＩＰシステム。
【請求項１９】
複数のイオンを有するイオン鎖を冷却するための量子情報処理（ＱＩＰ）装置であって、
前記イオン鎖内の各イオンに対して側波帯冷却レーザビームを生成するための手段と、
それぞれの前記側波帯冷却レーザビームを使用して、前記イオン鎖内の前記イオンに関連する２つ以上の運動モードを、前記２つ以上の運動モードのそれぞれが運動基底状態に達するまで、並行冷却するための手段と、
前記２つ以上の運動モードが前記運動基底状態に達した後に、前記イオン鎖を使用して、量子計算を実行するための手段と、
を含む、ＱＩＰ装置。
【請求項２０】
前記イオン鎖内の前記イオンは、２つ以上の種のイオンを含み、前記種のうちの１つは、共同冷却に使用され、
前記イオン鎖内の前記イオンに関連する前記２つ以上の運動モードの前記並行冷却は、共同冷却に使用される前記種の前記イオンを使用して実行され、
前記量子計算は、前記並行冷却が行われる間に、残りの前記種のうちの１つまたは複数で実行される、
請求項１９に記載のＱＩＰ装置。
【請求項２１】
複数のイオンを有するイオン鎖を冷却するために、プロセッサによって実行可能な命令を有するコードを記憶するコンピュータ可読記憶媒体であって、
前記イオン鎖内の各イオンに対して側波帯冷却レーザビームを生成するためのコードと、
それぞれの前記側波帯冷却レーザビームを使用して、前記イオン鎖内の前記イオンに関連する２つ以上の運動モードを、前記２つ以上の運動モードのそれぞれが運動基底状態に達するまで、並行冷却するためのコードと、
前記２つ以上の運動モードが前記運動基底状態に達した後に、前記イオン鎖を使用して、量子計算を実行するためのコードと、
を含む、コンピュータ可読記憶媒体。
【請求項２２】
前記イオン鎖内の前記イオンは、２つ以上の種のイオンを含み、前記種のうちの１つは、共同冷却に使用され、
前記イオン鎖内の前記イオンに関連する前記２つ以上の運動モードの前記並行冷却は、共同冷却に使用される前記種の前記イオンを使用して実行され、
前記量子計算は、前記並行冷却が行われる間に、残りの前記種のうちの１つまたは複数で実行される、
請求項２１に記載のコンピュータ可読記憶媒体。
【国際調査報告】
2021530040.tif 000016
2021530040.tif 000017