R. Blatt作為離子阱量子信息處理領(lǐng)域的先驅(qū)者之一，其帶領(lǐng)的研究組在該已深耕20年多年。AQT則是R. Blatt與其博士畢業(yè)學生Thomas Monz和著名物理學家Peter Zoller一起創(chuàng)辦的一家專注離子阱量子計算的科技公司。R. Blatt研究組與AQT公司合作多年，致力于建造Advanced Quantum computation with Trapped IONs (AQTION)。

本文介紹的演示機系統(tǒng)將離子阱實驗系統(tǒng)從龐大的實驗室平臺集成進了了兩個19英寸服務(wù)器機柜中。這一模塊化的量子計算系統(tǒng)包括離子阱及其真空系統(tǒng)，電子電路控制系統(tǒng)和激光系統(tǒng)。作為整個系統(tǒng)中最重要的組成部分，激光系統(tǒng)為離子的電離、囚禁、冷卻、探測、相干操作提供穩(wěn)定的光源。通常，激光系統(tǒng)在實驗室平臺中會占據(jù)大部分的空間，AQT的研究人員通過精妙的設(shè)計，在保證系統(tǒng)的性能沒有損失前提下，將所有的激光光源、頻率穩(wěn)定和高速光開關(guān)都塞進了兩個小小的機柜之中。我們今天介紹的主要對象，729nm超穩(wěn)激光系統(tǒng)就是其中之一。

圖1：演示機的模塊布局圖。光學機柜主要包含大部分非相干光源和729nm相干光源，以及光纖分發(fā)和光開關(guān)模塊，離子阱機柜包含離子阱和進阱光路。兩個機柜之間通過光纖進行連接。兩個機柜都具備很好的機械和溫度穩(wěn)定性，保證了整個系統(tǒng)的性能。

R. Blatt研究組從20多年前就開始致力于Ca離子量子計算平臺的開發(fā)，如今該研究組已完成了DiVincenzo的5大量子計算準則的物理實現(xiàn)。AQT的演示機系統(tǒng)同樣使用Ca40離子作為量子比特的載體，量子比特類型選用光學量子比特。Ca40離子擁有兩個壽命超過1秒的亞穩(wěn)態(tài)能級D5/2和D3/2，通常將量子比特的1態(tài)取為D5/2態(tài)的某個塞曼能級，將0態(tài)取為離子基態(tài)S1/2的某個塞曼能級。利用一束波長為729nm的激光，可以實現(xiàn)量子態(tài)的相干性操作，從而進一步實現(xiàn)單量子比特門和雙量子比特門。為了保證量子比特在操作過程不丟失相干性，就要求729激光具備極佳的頻率穩(wěn)定性，即要求729激光具備極窄的線寬。由于該S到D的躍遷為電四極躍遷，自然線寬僅為136mHz，這就要求729激光線寬需要窄至Hz量級，以獲得百ms量級的量子比特相干時間。因此729超穩(wěn)激光系統(tǒng)在Ca離子阱系統(tǒng)中扮演著重要的角色。

圖2：基于Ca40離子的光學量子比特方案。S1/2態(tài)到P1/2態(tài)的電偶極躍遷用于多普勒冷卻和熒光探測，S1/2態(tài)到D5/2態(tài)的電四極躍遷用于離子的邊帶冷卻、初態(tài)制備和相干操作。相干操作所需的729nm激光需要具備Hz量級的激光線寬。

R. Blatt研究組掌握著Hz量級激光穩(wěn)頻技術(shù)。十幾年前，研究組主要使用其他老一代的環(huán)形腔鈦寶石激光器產(chǎn)生超穩(wěn)729激光。近年來，老一代的單頻鈦寶石激光產(chǎn)品的技術(shù)更新不足可靠性難以滿足要求，同時由于全新設(shè)計的英國M Squared公司的單頻鈦寶石激光器優(yōu)越的性能，該研究組將超穩(wěn)729激光光源的供應(yīng)商轉(zhuǎn)向M Squared公司。

AQT的演示機系統(tǒng)中的729光源使用了M Squared公司的SolsTiS單頻可調(diào)諧鈦寶石激光器。與其他鈦寶石激光器類似，該激光器使用532nm綠光光源（如M Squared Equinox）泵浦Ti3+：Al2O3晶體，利用多種頻率選擇元件，獲得光譜純度較高的基模高斯激光光束。SolsTiS激光器在此基礎(chǔ)上，使用先進的寬帶光學元件，讓激光器具有極寬的調(diào)諧范圍（700-1000nm），使用超穩(wěn)定的機械和光學設(shè)計，使得激光具有極低的自由運轉(zhuǎn)線寬（50kHz）極低的功率抖動（0.075% RMS），因此十分適合作為Ca離子阱的729nm主激光光源。

R. Blatt研究組開發(fā)了基于SolsTiS的激光穩(wěn)頻方案。SolsTiS的激光環(huán)形腔中的一面腔鏡貼有快速和慢速兩片壓電陶瓷，快速壓電陶瓷的共振頻率在105kHz，用于壓窄激光線寬，慢速壓電陶瓷具有更大的頻率調(diào)諧范圍，用于保持激光的中心頻率。研究組使用超高精細度超穩(wěn)腔和PDH鎖頻方案，在僅使用SolsTiS自身的反饋通道時，可以將激光線寬壓窄至30Hz量級這得益于SolsTiS極低的自由運轉(zhuǎn)線寬和快速壓電陶瓷提供的高反饋帶寬。研究人員為該超穩(wěn)激光增加了一個額外的AOM用于更快速的反饋，并最終將激光線寬壓窄至3.6Hz。使用該超穩(wěn)激光，配合先進的磁屏蔽系統(tǒng)，AQT演示機可將Ca離子光學量子比特相干時間延長至百毫秒量級，并將兩比特門所需時間縮短到幾十微秒，同時獲得99.7%的保真度。在這樣的條件下，演示機足以支持包含上萬個兩比特門的量子線路的量子操作。此外，演示機利用兩種構(gòu)型完全不同的方案（光纖陣列和AOD）對729激光實現(xiàn)單離子尋址，并保持了高達99%的單離子尋址兩比特門保真度。

圖3：R. Blatt組使用M Squared SolsTiS鈦寶石激光器作為729超穩(wěn)激光光源。其鎖頻方案利用到了SolsTiS的快速壓電陶瓷和額外的AOM，多級反饋最終獲得3.6Hz的激光線寬。

奧地利R. Blatt研究組與AQT公司作為M Squared激光產(chǎn)品的資深用戶，其開發(fā)的基于SolsTiS的超穩(wěn)激光鎖頻方案也被多個實驗組所學習使用。作為另一全球領(lǐng)先的離子阱量子計算研究組，牛津大學D. Lucas研究組也大量使用SolsTiS及ECD-X等激光產(chǎn)品，用于其Ca43和Sr88離子阱實驗系統(tǒng)。近年來，隨著M Squared的激光產(chǎn)品在國內(nèi)的迅速推廣，多個量子信息實驗研究組采購使用了SolsTiS等產(chǎn)品，并已完成了多個重要實驗。