一种离子阱离子操控实验系统

技术领域

本发明涉及量子计算技术领域，尤其涉及一种离子阱离子操控实验系统。

背景技术

如今，离子阱已经是实现量子计算的主要物理体系。而离子阱本身的原理其实很简单：就是利用电荷与磁场间所产生的交互作用力约束带电粒子，使其行为得到控制。两种最常见的离子阱类型是Penning阱，由Dehmelt提出，它通过电场和磁场的组合形成电势；Paul阱，由WolfgangPaul(与Dehmelt共享1989年诺贝尔物理学奖)提出，它通过静态和振荡电场的组合形成电势，与超导、光量子等路线不同，离子阱量子计算机需要整合许多不同领域的技术：真空、激光和光学系统、射频和微波技术，以及相干电子控制，具体来说，离子阱量子计算机有以下几个优势：相干时间较长、单量子比特门、双量子比特门保真度较高、状态制备和读出更直接、量子比特可重复性高。

但是在现有技术中，在使用平面离子阱囚禁离子需要结合多个电极释放的电压形成特定电势场从而将带电离子限定在特定的区域，例如中国专利申请公开了一种离子阱系统及离子操控方法，CN112750681B，包括处理控制模块、分束模块、光束调控模块和离子囚禁模块，离子囚禁模块包括囚禁的P个离子和电极。电极用于根据处理控制模块根据P个离子排布生成的第一控制信号，将P个离子囚禁于M个第一分区；分束模块用于根据处理控制模块根据P个离子排布和每个第二区分中需要同时操控的最大离子数生成的第二控制信号，对激光束分束，得到N个第一光束，将N个第一光束分为M个第二分区，将M个第二分区中的第一光束分别传输至M个光束调控模块；光束调控模块用于对接收到的第一光束进行调制，将调制后的第一光束传输至对应的第一分区的对应离子。

虽然上述方案具有如上的优势，但是上述方案的劣势在于：由于使用平面离子阱囚禁离子需要结合多个电极释放的电压形成特定电势场，从而将带电离子限定在特定的区域，而平面离子阱系统，虽然能满足囚禁离子的需求，但传统的平面离子阱系统由于在电势场控制层面存在不足，从而导致当被囚禁离子受额外的环境影响而产生一系列的实验误差时，实验人员无法通过调节实验系统来消除额外的环境影响，使得额外产生的实验误差被引入，导致实验结果不够精确。这对量子精密测量领域有很大的影响，因此亟须一种离子阱离子操控实验系统来解决此类问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的传统的平面离子阱系统由于在电势场控制层面存在不足，从而导致当被囚禁离子受额外的环境影响而产生一系列的实验误差时，实验人员无法通过调节实验系统来消除额外的环境影响，使得额外产生的实验误差被引入，导致实验结果不够精确的问题。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：一种离子阱离子操控实验系统，包括：电势场构建模块、离子捕获模块、电势场调节模块、弱力测量模块、电位置监控模块、电压调节监控模块、荧光计数监控模块，所述电势场构建模块与离子捕获模块连接，所述离子捕获模块与电势场调节模块连接，所述电势场调节模块与弱力测量模块连接，其中：

所述电势场构建模块设置上位机，内置FPGA，打开离子阱装置，同时对各电极电压进行加载，构建离子阱内电势场；

所述离子捕获模块承载激光器、CCD以及离子制备装置，在捕获离子后通过CCD对离子阱内的离子位置进行监测；

所述电势场调节模块对电势场控制层面进行调节；

所述弱力测量模块对囚禁离子信息进行获取、显示并存储。

作为一种优选的具体实施方式，所述离子捕获模块包括参数加载单元、稳定性调节单元、离子位置调节单元和离子信息反馈单元，其中：

所述参数加载单元使用最后一次保存的参数设置进行离子阱装置开启后的加载，对CCD图像窗口进行加载，对荧光计数器数据体进行加载，参数设置包括：各电极电位值和CCD设备拍摄时长；

所述稳定性调节单元根据参数加载单元加载后所获取的离子当前状态进行监测，在达到稳定状态后开启测试。

作为一种优选的具体实施方式，所述参数加载单元与稳定性调节单元连接，所述稳定性调节单元与离子位置调节单元连接，其中：

所述离子位置调节单元通过环境改变使得离子位置产生改变，并对电极电位值进行调节。

作为一种优选的具体实施方式，所述离子位置调节单元与离子信息反馈单元连接，其中：

所述离子信息反馈单元对各电极电压值、荧光计数进行记录，重复稳定性调节单元和离子位置调节单元的步骤使荧光计数趋于稳定。

作为一种优选的具体实施方式，所述电压调节监控模块包括供电启动单元、指令接收单元、电压值转换单元和电压加载单元，其中：

所述电压调节监控模块内置DAC芯片，并承载数字电路控制器，对加载到离子阱电极上的电压进行调节，电路板DAC芯片的输出端口两两匹配，经过差分电路后将电压加载在离子阱电极上。

作为一种优选的具体实施方式，所述供电启动单元与指令接收单元连接，所述指令接收单元与电压值转换单元连接，其中：

所述供电启动单元服务于电压调节监控模块和电势场构建模块，负责电压调节监控模块的系统启动，并加载供电电压；

所述指令接收单元用于接收上位机所发送指令，并向离子捕获模块输入开关电压，使其开始工作以及切断供电。

作为一种优选的具体实施方式，所述电压值转换单元与电压加载单元连接，其中：

所述电压值转换单元通过数字电路控制器将上位机输入电压值转换为0、1序列，并通过I/O端口向电路板输出高电平脉冲，此处共14个端口并联输出；

所述电压加载单元将电路板DAC芯片接收到数字电路控制端的电平脉冲，转换为模拟信号并输出电压，其中14个输入端口中有3个是用于选择输出端口、8个是电压控制、其余3个是用于工作开关和工作保护。

作为一种优选的具体实施方式，所述电位置监控模块、电压调节监控模块和荧光计数监控模块分别与电势场调节模块连接，其中：

所述荧光计数监控模块实时对荧光计数进行监控；

所述电位置监控模块实时对离子位置进行监控。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于，

1.本发明，通过离子捕获模块和电势场调节模块的配合，将上位机输入的电压值转换为0、1序列并通过I/O端口向电路板输出高电平脉冲，通过修改电极电位值实现抬升或降低电极电压将离子搬运回初始位置，通过电压差值计算出电势场改变情况从而得出外界作用力的精确值，解决了现有技术中存在的传统的平面离子阱系统由于在电势场控制层面存在不足，从而导致当被囚禁离子受额外的环境影响而产生一系列的实验误差时，实验人员无法通过调节实验系统来消除额外的环境影响，使得额外产生的实验误差被引入，导致实验结果不够精确问题。

2.本发明，通过电势场调节模块和FPGA的设置，可将直流电压调节的最小电位差调节到0.6mV，目前已知设备的直流电极上可调的最小电位差是20mV左右，而在控制电势场时，更小的电压可调值会产生更精准地控制电势场，从而获得更精密的离子操控和更强的弱力感应能力。

3.本发明，通过离子捕获模块、电势场调节模块的配合，并设置有并行线路控制，可实现电压的同步输出，从而加快电势场生成和稳定时间。

4.本发明，引入数字电路控制模块，减少电势场构建模块内置上位机操控系统处理时间，使得测量数据更精准。

附图说明

图1为本发明的一种离子阱离子操控实验系统的整体系统结构图；

图2为本发明的一种离子阱离子操控实验系统的离子捕获模块单元结构图；

图3为本发明的一种离子阱离子操控实验系统的电压调节监控模块单元结构图；

图4为本发明的一种离子阱离子操控实验系统的离子阱操作系统工作流图1；

图5为本发明的一种离子阱离子操控实验系统的离子阱操作系统工作流图2；

图6为本发明的一种离子阱离子操控实验系统的电压操作模块启动流程图；

图7为本发明的一种离子阱离子操控实验系统的电压操作模块关闭流程图；

图8为本发明的一种离子阱离子操控实验系统的FPGA电路图；

图例说明：

100、电势场构建模块；200、离子捕获模块；300、电势场调节模块；400、弱力测量模块；500、电位置监控模块；600、电压调节监控模块；700、荧光计数监控模块；201、参数加载单元；202、稳定性调节单元；203、离子位置调节单元；204、离子信息反馈单元；601、供电启动单元；602、指令接收单元；603、电压值转换单元；604、电压加载单元。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-8，本发明提供一种技术方案：一种离子阱离子操控实验系统，包括：电势场构建模块100、离子捕获模块200、电势场调节模块300、弱力测量模块400、电位置监控模块500、电压调节监控模块600、荧光计数监控模块700，电势场构建模块100与离子捕获模块200连接，离子捕获模块200与电势场调节模块300连接，电势场调节模块300与弱力测量模块400连接，其中：

电势场构建模块100设置上位机，内置FPGA，打开离子阱装置，同时对各电极电压进行加载，构建离子阱内电势场；

离子捕获模块200承载激光器、CCD以及离子制备装置，在捕获离子后通过CCD对离子阱内的离子位置进行监测；

电势场调节模块300对电势场控制层面进行调节；

弱力测量模块400对囚禁离子信息进行获取、显示并存储，区别传统的平面离子阱系统，本发明通过引入高精度电压操控模块，结合新的离子阱操控系统和已有的平面离子阱装置，实现了离子精密操控，并在量子弱力感应上有了很大的突破，基于现有的Labview操控系统，在此基础上进行改进，电压操控模块包括电位置监控模块500、电压调节监控模块600和荧光计数监控模块700，首先与电势场构建模块100的内置上位机进行信号传输，电势场构建模块100启动离子阱系统，由供电启动单元601进行供电电压加载，同步进行的，离子捕获模块200开启激光器和CCD，并加载最后一次保存的参数设置，此处参数在设置包括各电极电位值以及CCD设备拍摄时长，同时进行CCD的图像窗口以及荧光计数器数据图的加载，相配合的，荧光计数监控模块700实时对荧光计数进行监控，电位置监控模块500实时对离子位置信息进行监控，在离子通过其他设备达到稳定状态后开始测试，通过参数加载单元201、稳定性调节单元202、离子位置调节单元203的配合，改变环境使得离子位置产生改变，再由CCD拍摄其位置并记录离子位置信息，并记录当前各电极电压值，通过修改电极电位值来实现抬升或降低电极电压将离子搬运回初始位置，当抬升各直流电极电压可使得离子位置上升，当降低各直流电极电压可使得离子位置下降，当抬升某个电极电压可使得离子向该电极的反方向位移，当降低某个电极电压可使得离子向该电极的方向位移，最终记录各电极电压值，而实际操作中由于CCD窗口大小和芯片阱电势场限制，各电极电压的实际调节范围远小于其可调范围，对于各电极电位值修改以及离子信息记录步骤中须观察荧光计数器的数据，确保其荧光计数相对稳定，再将环境恢复到初始状态，并重复各电极电位值修改、离子信息记录和确保荧光计数稳定步骤，重复多次后进行实验分析，以此得出改变环境后所产生的额外的弱力值，而针对电压操控模块的调节，通过电位置监控模块500、电压调节监控模块600和荧光计数监控模块700的配合，首先由上位机输出信号，供电启动单元601将系统启动，加载供电，位机发送工作指令，离子阱操控系统输入开关电压，模块开始工作，模块的数字电路控制端将上位机输入的电压值转换为0、1序列并通过I/O端口向电路板输出高电平脉冲，共14个端口并联输出，电路板DAC芯片接收到数字电路控制端的电平脉冲后将其转换为模拟信号并输出电压，14个输入端口中有3个是用于选择输出端口、8个是电压控制、其余3个是用于工作开关和工作保护，且此处的电路板DAC芯片的输出端口两两匹配，经过差分电路后将电压加载在离子阱电极上，在关闭时同样由上位机发送停止工作指令，离子阱操控系统切断开关电压，停止工作后切断供电电压。

简言之该离子阱离子操控实验系统实施步骤如下：打开离子阱装置，加载各电极电压直流和交流，构建离子阱内电势场，捕获离子，通过CCD观测离子在离子阱内的位置微调节电势场，将离子迁移至理想位置，进行弱力测量，此处弱力测量包括：改变或引入外界环境、观察离子位置的变化，并记录当前离子位置的坐标信息和各电极电压值、调节直流电极电压，使离子位置回到初始位置，记录各电极电压值、通过电压差值计算出电势场改变情况从而得出外界作用力的精确值。

区别传统平面离子阱系统，可通过离子捕获模块200和电势场调节模块300的设置，将上位机输入的电压值转换为0、1序列并通过I/O端口向电路板输出高电平脉冲，通过修改电极电位值实现抬升或降低电极电压将离子搬运回初始位置，通过电压差值计算出电势场改变情况从而得出外界作用力的精确值。

请参阅图1-8，离子捕获模块200包括参数加载单元201、稳定性调节单元202、离子位置调节单元203和离子信息反馈单元204，其中：

参数加载单元201使用最后一次保存的参数设置进行离子阱装置开启后的加载，对CCD图像窗口进行加载，对荧光计数器数据体进行加载，参数设置包括：各电极电位值和CCD设备拍摄时长；

稳定性调节单元202根据参数加载单元201加载后所获取的离子当前状态进行监测，在达到稳定状态后开启测试。

请参阅图1-8，参数加载单元201与稳定性调节单元202连接，稳定性调节单元202与离子位置调节单元203连接，其中：

离子位置调节单元203通过环境改变使得离子位置产生改变，并对电极电位值进行调节。

请参阅图1-8，离子位置调节单元203与离子信息反馈单元204连接，其中：

离子信息反馈单元204对各电极电压值、荧光计数进行记录，重复稳定性调节单元202和离子位置调节单元203的步骤使荧光计数趋于稳定。

请参阅图1-8，电压调节监控模块600包括供电启动单元601、指令接收单元602、电压值转换单元603和电压加载单元604，其中：

电压调节监控模块600内置DAC芯片，并承载数字电路控制器，对加载到离子阱电极上的电压进行调节，电路板DAC芯片的输出端口两两匹配，经过差分电路后将电压加载在离子阱电极上。

请参阅图1-8，供电启动单元601与指令接收单元602连接，指令接收单元602与电压值转换单元603连接，其中：

供电启动单元601服务于电压调节监控模块600和电势场构建模块100，负责电压调节监控模块600的系统启动，并加载供电电压；

指令接收单元602用于接收上位机所发送指令，并向离子捕获模块200输入开关电压，使其开始工作以及切断供电。

请参阅图1-8，电压值转换单元603与电压加载单元604连接，其中：

电压值转换单元603通过数字电路控制器将上位机输入电压值转换为0、1序列，并通过I/O端口向电路板输出高电平脉冲，此处共14个端口并联输出；

电压加载单元604将电路板DAC芯片接收到数字电路控制端的电平脉冲，转换为模拟信号并输出电压，其中14个输入端口中有3个是用于选择输出端口、8个是电压控制、其余3个是用于工作开关和工作保护。

请参阅图1-8，电位置监控模块500、电压调节监控模块600和荧光计数监控模块700分别与电势场调节模块300连接，其中：

荧光计数监控模块700实时对荧光计数进行监控；

电位置监控模块500实时对离子位置进行监控。

工作原理

区别传统的平面离子阱系统，本发明通过引入高精度电压操控模块，结合新的离子阱操控系统和已有的平面离子阱装置，实现了离子精密操控，并在量子弱力感应上有了很大的突破，基于现有的Labview操控系统，在此基础上进行改进，电压操控模块包括电位置监控模块500、电压调节监控模块600和荧光计数监控模块700，首先与电势场构建模块100的内置上位机进行信号传输，电势场构建模块100启动离子阱系统，由供电启动单元601进行供电电压加载，同步进行的，离子捕获模块200开启激光器和CCD，并加载最后一次保存的参数设置，此处参数在设置包括各电极电位值以及CCD设备拍摄时长，同时进行CCD的图像窗口以及荧光计数器数据图的加载，相配合的，荧光计数监控模块700实时对荧光计数进行监控，电位置监控模块500实时对离子位置信息进行监控，在离子通过其他设备达到稳定状态后开始测试，通过参数加载单元201、稳定性调节单元202、离子位置调节单元203的配合，改变环境使得离子位置产生改变，再由CCD拍摄其位置并记录离子位置信息，并记录当前各电极电压值，通过修改电极电位值来实现抬升或降低电极电压将离子搬运回初始位置，当抬升各直流电极电压可使得离子位置上升，当降低各直流电极电压可使得离子位置下降，当抬升某个电极电压可使得离子向该电极的反方向位移，当降低某个电极电压可使得离子向该电极的方向位移，最终记录各电极电压值，而实际操作中由于CCD窗口大小和芯片阱电势场限制，各电极电压的实际调节范围远小于其可调范围，对于各电极电位值修改以及离子信息记录步骤中须观察荧光计数器的数据，确保其荧光计数相对稳定，再将环境恢复到初始状态，并重复各电极电位值修改、离子信息记录和确保荧光计数稳定步骤，重复多次后进行实验分析，以此得出改变环境后所产生的额外的弱力值，而针对电压操控模块的调节，通过电位置监控模块500、电压调节监控模块600和荧光计数监控模块700的配合，首先由上位机输出信号，供电启动单元601将系统启动，加载供电，位机发送工作指令，离子阱操控系统输入开关电压，模块开始工作，模块的数字电路控制端将上位机输入的电压值转换为0、1序列并通过I/O端口向电路板输出高电平脉冲，共14个端口并联输出，电路板DAC芯片接收到数字电路控制端的电平脉冲后将其转换为模拟信号并输出电压，14个输入端口中有3个是用于选择输出端口、8个是电压控制、其余3个是用于工作开关和工作保护，且此处的电路板DAC芯片的输出端口两两匹配，经过差分电路后将电压加载在离子阱电极上，在关闭时同样由上位机发送停止工作指令，离子阱操控系统切断开关电压，停止工作后切断供电电压。

简言之该离子阱离子操控实验系统实施步骤如下：打开离子阱装置，加载各电极电压直流和交流，构建离子阱内电势场，捕获离子，通过CCD观测离子在离子阱内的位置微调节电势场，将离子迁移至理想位置，进行弱力测量，此处弱力测量包括：改变或引入外界环境、观察离子位置的变化，并记录当前离子位置的坐标信息和各电极电压值、调节直流电极电压，使离子位置回到初始位置，记录各电极电压值、通过电压差值计算出电势场改变情况从而得出外界作用力的精确值。

区别传统平面离子阱系统，可通过离子捕获模块200和电势场调节模块300的设置，将上位机输入的电压值转换为0、1序列并通过I/O端口向电路板输出高电平脉冲，通过修改电极电位值实现抬升或降低电极电压将离子搬运回初始位置，通过电压差值计算出电势场改变情况从而得出外界作用力的精确值。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。