离子阱装置

技术领域

本申请涉及量子计算技术领域，具体涉及离子阱量子计算机技术领域，特别涉及离子阱装置。

背景技术

离子阱作为量子计算机的主要技术路线，其辅助技术和工具的研究也成为一种必要。在模拟离子阱中离子的囚禁状态和电场形态的实验中，为了直观地观测出离子链的排列以及改变电场对离子运动带来的影响，发展出以囚禁宏观颗粒(如SiC微粒)的设备来辅助离子囚禁的研究。

目前已有的离子阱装置能够实现对微粒的模拟囚禁，有些能够对多个微粒的运动实施整体控制，例如多个微粒整体位移。但是，已有的离子阱装置不能对单个微粒的运动实施控制，而这是研究离子电场补偿和离子运输的前提。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本申请提出了一种离子阱装置，能够解决至少一种技术问题。

本申请提出的离子阱装置包括平行设置的上层PCB板和下层PCB板，其中，

上层PCB板的中部区域经挖空处理形成狭长型的第一区域，所述第一区域的两侧分别为上层直流电极板和上层交流电极板，其中，所述上层直流电极板经分割处理形成间隔地布置的多个直流电极；

下层PCB板的中部区域经挖空处理形成狭长型的第二区域，所述第二区域的两侧分别为下层直流电极板和下层交流电极板，其中，所述下层直流电极板经分割处理形成间隔地布置的多个直流电极；

其中，所述下层直流电极板位于所述上层交流电极板的下方，所述下层交流电极板位于所述上层直流电极板的下方，所述第一区域与所述第二区域连通成为所述离子阱装置的微粒囚禁区域；在所述离子阱装置的微粒囚禁区域的两端设置有端电极，所述端电极平行于上层PCB板和下层PCB板。

可选的，所述多个直流电极形成的间隔的数目与要囚禁的微粒的个数相同。

可选的，所述多个直流电极形成的多个间隔的宽度均相同，所述多个间隔的宽度均为1-3mm。

可选的，所述上层交流电极板和所述下层交流电极板的面积均大于单个直流电极的面积。

可选的，所述端电极所处的高度位于上层PCB板与下层PCB板之间，所述端电极的投影与所述上层PCB板以及下层PCB板的投影不重叠。

可选的，所述端电极为PCB板，所述端电极的宽度为6-8mm。

可选的，所述多个直流电极均为相同尺寸的矩形板，所述矩形板的宽度为6-8mm。

可选的，所述多个直流电极的数量为6-10个。

可选的，上层交流电极板和/或下层交流电极板的宽度为7-9mm。

可选的，本申请提出的离子阱装置还包括直接数字式频率合成器DDS交变信号源和直流电压源，其中，所述DDS交变信号源与所述上层交流电极板以及所述下层交流电极板电分别电连接，所述直流电压源与所述上层直流电极板以及所述下层直流电极板分别电连接。

可选的，本申请提出的离子阱装置还包括电荷耦合元件CCD相机和激光光源，所述CCD相机的镜头以及所述激光光源均朝向所述微粒囚禁区域，所述激光光源用于照亮微粒，所述CCD相机用于拍摄微粒囚禁画面。

本申请实施例提出的离子阱装置采用PCB板作为离子阱中的电极板，将直流电极板分割成多个间隔布置的直流电极，并在微粒囚禁区域的两端设置端电极，不仅能够实现对多微粒的囚禁，而且能够调节囚禁微粒的个数，提升离子阱囚禁宏观颗粒的均匀性；通过对离子阱中PCB板的合理设置能够模拟多电极电场环境，从而能够对单个微粒的运动实施控制，为研究离子电场补偿和离子运输问题提供基础。

附图说明

下面，将结合附图对本申请的优选实施方式进行进一步详细的说明，其中：

图1是用于囚禁宏观颗粒的线性四级杆装置的结构图。

图2示意性示出本申请实施例的离子阱装置的结构图。

图3示意性示出本申请实施例的用于离子阱装置的控制系统的结构示意图。

图4示意性示出本申请实施例的用于离子阱装置的成像过程的示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在以下的详细描述中，可以参看作为本申请一部分用来说明本申请的特定实施例的各个说明书附图。在附图中，相似的附图标记在不同图式中描述大体上类似的组件。本申请的各个特定实施例在以下进行了足够详细的描述，使得具备本领域相关知识和技术的普通技术人员能够实施本申请的技术方案。应当理解，还可以利用其它实施例或者对本申请的实施例进行结构、逻辑或者电性的改变。

图1示意性地示出了用于囚禁宏观颗粒的线性四级杆装置的结构图，可用于囚禁SiC颗粒，该线性四极杆阱采用Paul阱的方式，如图1所示，可在其中的二个四级杆中加上交变电压，另外二个四级杆上加上直流电压，从而在阱的中心形成一个相对平衡的电场。在通过表面离化的方法使SiC颗粒带电后，将其注入阱中心的位置，从而实现了SiC颗粒在四极杆阱中的囚禁。但是，此类四级杆装置不能对阱中囚禁的微粒的数目进行精准控制。

图2示意性地示出了本申请实施例的离子阱装置的结构图，如图2所示，该离子阱装置包括平行设置的上层PCB板和下层PCB板，其中，

上层PCB板的中部区域经挖空处理形成狭长型的第一区域，第一区域的两侧分别为上层直流电极板201和上层交流电极板202，其中，上层直流电极板201经分割处理形成间隔地布置的多个直流电极201-1；

下层PCB板的中部区域经挖空处理形成狭长型的第二区域，第二区域的两侧分别为下层直流电极板203和下层交流电极板204，其中，下层直流电极板203经分割处理形成间隔地布置的多个直流电极203-1；

其中，下层直流电极板203位于上层交流电极板202的下方，下层交流电极板204位于上层直流电极板201的下方，第一区域与第二区域连通成为离子阱装置的微粒囚禁区域；在离子阱装置的微粒囚禁区域的两端设置有端电极205，端电极205平行于上层PCB板和下层PCB板。

根据本申请的实施例，本申请提出的离子阱装置由上层PCB板和下层PCB板及中间端电极组成，上层PCB板中间挖空形成第一区域，下层PCB板中间挖空形成第二区域，第一区域和第二区域连通成为微粒的囚禁区域，端电极设置在囚禁区域的两端，且端电极平行于上层PCB板和下层PCB板。上层PCB板包括上层直流电极板201和上层交流电极板202，下层PCB板包括下层直流电极板203和下层交流电流板204，下层交流电极板204位于上层直流电极板201的下方，下层直流电极板203位于上层交流电路板202的下方。

其中，上层交流电路板的面积、形状与下层交流电路板的面积、形状相同，并且上层直流电路板的面积、形状与下层直流电路板的面积、形状相同，可视为上层PCB板与下层PCB呈中心对称。

上层直流电极板201和下层直流电极板203均被分割处理形成间隔地布置的多个直流电极201-1和直流电极203-1，其中，上层交流电极板202和下层交流电极板204接收交流电压用于囚禁微粒，使微粒在囚禁区域内稳定存在；上层直流电极板201和下层直流电极板203接收直流电压用于使微粒在囚禁区域内做定向运动；端电极接收直流电压用于改变微粒在囚禁区域内的间距，实现微粒在囚禁区域内均匀排布。

也就是说，本申请提出的离子阱装置通过设置端电极形成轴向电场，能够改变微粒在轴线方向上的间距，从而实现微粒在囚禁区域内均匀排布；通过设置间隔地布置的多个直流电极201-1和直流电极203-1在囚禁区域内电场形态发生变化，从而实现微粒的定向运动；通过设置交流电极板形成交变电场，并在交变电场内形成鞍点，因鞍点处的微粒在各方向上受力平衡，所以能够实现微粒相对稳定的存在。

在本申请的一些实施例中，多个直流电极201-1(直流电极203-1)形成的间隔的数目与待囚禁的微粒的个数相同。也就是说，当需要增加待囚禁的微粒的个数时，可以通过增加直流电极201-1(直流电极203-1)形成的间隔的数目以达到增加囚禁的微粒个数。例如，上层直流电极板201和下层直流电极板203均设有8个直流电极201-1、形成7个间隔，因此能囚禁7个微粒。

在本申请的一些实施例中，多个直流电极201-1(直流电极203-1)形成的多个间隔的宽度均相同，多个间隔的宽度均为1-3mm。在本申请的实施例中，多个直流电极201-1(直流电极203-1)形成的多个间隔的宽度为2mm。

在本申请的一些实施例中，上层交流电极板202和下层交流电极板204的面积均大于单个直流电极201-1(直流电极203-1)的面积。

在本申请的一些实施例中，端电极所处的高度位于上层PCB板与下层PCB板之间，端电极的投影与上层PCB板以及下层PCB板的投影不重叠。也就是说，端电极未处在上层PCB板的正下方和下层PCB板的正上方。

在本申请的一些实施例中，端电极为PCB板，端电极的宽度为6-8mm。端电极的宽度不做要求，可根据实际情况确定端电极的宽度。

在本申请的一些实施例中，多个直流电极201-1(直流电极203-1)均为相同尺寸的矩形板，矩形板的宽度为6-8mm。矩形板的长度可根据离子阱的大小进行合理化设计。

在本申请的一些实施例中，多个直流电极201-1(直流电极203-1)的数量为6-10个。

在本申请的一些实施例中，上层交流电极板202和/或下层交流电极板204的宽度为7-9mm。

在本申请的一些实施例中，本申请提出的离子阱装置还包括直接数字式频率合成器DDS交变信号源和直流电压源，其中，DDS交变信号源与上层交流电极板202以及下层交流电极板204电分别电连接，直流电压源与上层直流电极板201以及下层直流电极板203分别电连接。也就是说，DDS交变信号源为上层交流电极板202和下层交流电极板204电提供交变电压，直流电压源为上层直流电极板201和下层直流电极板203提供直流电压，实现对离子阱中微粒的囚禁。

在本申请的一些实施例中，本申请提出的离子阱装置还包括电荷耦合元件CCD相机和激光光源，CCD相机的镜头以及激光光源均朝向微粒囚禁区域，激光光源用于照亮微粒，CCD相机用于拍摄微粒囚禁画面。这样可以在上位机观察到离子阱中微粒囚禁画面。

本申请提出的离子阱装置提升了离子阱中囚禁宏观颗粒的均匀性，维持了势阱深度和囚禁的稳定性。而且，通过离子阱中PCB板的合理设置，能够模拟多电极电场环境，为离子阱的研究增加了一个全新的方向。此外，该装置能够模拟控制单个颗粒的运动，为探索电极控制奠定基础。

以上通过多个实施例描述了本申请实施例的离子阱装置的结构特点及技术优势。以下通过具体的例子描述本申请实施例的离子阱装置的操作流程。

作为一种示例，本申请实施例的离子阱装置中，上层PCB设为上层直流电极板201和上层交流电极板202，上层交流电极板202为一矩形，矩形的宽度设为8mm、长度设为72mm，上层直流电极板201包括8块矩形直流电极201-1，矩形直流电极的宽度设为7mm、长度设为8mm，8块矩形直流电极201-1间隔设置，形成宽度相同的7个间隔，7个间隔的间距均为2mm。下层PCB设为下层直流电极板203和下层交流电极板204，下层交流电极板204的形状、大小和上层交流电极板204的形状、大小相同，下层直流电极板203也包括8块矩形直流电极203-1，8块矩形直流电极203-1的大小与上层直流电极板201-1的大小相同，且8块矩形直流电极203-1也形成宽度相同的7个间隔，与8个直流电极201-1形成的间隔的间距宽度相同。端电极的PCB板的宽度设为7mm。下层直流电极板203位于上层交流电极板202的下方，下层交流电极板204位于所述上层直流电极板201的下方，上层PCB板与下层PCB的垂直距离为4mm，端电极的PCB板位于上层PCB板和下层PCB之间，且与上层PCB和下层PCB板平行。

其中，直流电极、交流电极和端电极的材料需满足导电性高、耐腐蚀、抗氧化、表面光滑、无磁性的特点。采用纯铜镀金工艺，并且具有适当的低射频损耗，并兼容超高真空环境的PCB板是比较理想的选择。同时，PCB制造工艺水平需达到100μm，满足实验的要求。

图3示意性地示出了本申请实施例的用于离子阱装置的控制系统的原理图，图4示出了本申请实施例的用于离子阱装置的成像过程的原理图。结合图3和图4所示，MCU中控单元控制DDS交变信号源和直流电压源分别产生离子阱装置中电极板所需要的交流电压和直流电压，DDS信号源产生的交变信号经信号功率放大器放大功率后输送至变压器，交变信号经变压器放大交变信号的电压后输送至离子阱装置中的交变电极。MCU中控单元控制直流电压源输出直流电压，可调控制电路调节直流电压，切换开关后直流电压输送至离子阱装置中的直流电极和端电极。MCU中控单元控制激光器照射离子阱中的离子，CCD相机拍摄离子阱中微粒的囚禁画面。并且MCU中控单元能够将CCD相机拍摄的微粒囚禁画面上传至上位机，从而实现观测。

综上所述，本申请提出的离子阱装置解决了无法实现控制单个微粒在离子阱中的运动控制以及模拟分段电场的问题。并且提升了离子阱中囚禁宏观颗粒的均匀性，维持了势阱深度和囚禁的稳定性。

上述实施例仅供说明本申请之用，而并非是对本申请的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本申请范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此，所有等同的技术方案也应属于本申请公开的范畴。