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R. Blatt作為離子阱量子信息處理領域的先驅者之一，其帶領的研究組在該已深耕20年多年。AQT則是R. Blatt與其博士畢業學生Thomas Monz和著名物理學家Peter Zoller一起創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將離子阱實驗系統從龐大的實驗室平臺集成進了了兩個19英寸服務器機柜中。這一模塊化的量子計算系統包括離子阱及其真空系統，電子電路控制系統和激光系統。作為整個系統中最重要的組成部分，激光系統為離子的電離、囚禁、冷卻、探測、相干操作提供穩定的光源。通常，激光系統在實驗室平臺中會占據大部分的空間，AQT的研究人員通過精妙的設計，在保證系統的性能沒有損失前提下，將所有的激光光源、頻率穩定和高速光開關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超穩激光系統就是其中之一。

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，以及光纖分發和光開關模塊，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定性，保證了整個系統的性能。

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，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。AQT的演示機系統同樣使用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秒的亞穩態能級D5/2和D3/2，通常將量子比特的1態取為D5/2態的某個塞曼能級，將0態取為離子基態S1/2的某個塞曼能級。利用一束波長為729nm的激光，可以實現量子態的相干性操作，從而進一步實現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超穩激光系統在Ca離子阱系統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態到P1/2態的電偶極躍遷用于多普勒冷卻和熒光探測，S1/2態到D5/2態的電四極躍遷用于離子的邊帶冷卻、初態制備和相干操作。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量級激光穩頻技術。十幾年前，研究組主要使用其他老一代的環形腔鈦寶石激光器產生超穩729激光。近年來，老一代的單頻鈦寶石激光產品的技術更新不足可靠性難以滿足要求，同時由于全新設計的英國M Squared公司的單頻鈦寶石激光器優越的性能，該研究組將超穩729激光光源的供應商轉向M Squared公司。

AQT的演示機系統中的729光源使用了M Squared公司的SolsTiS單頻可調諧鈦寶石激光器。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激光器在此基礎上，使用先進的寬帶光學元件，讓激光器具有極寬的調諧范圍（700-1000nm），使用超穩定的機械和光學設計，使得激光具有極低的自由運轉線寬（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研究組開發了基于SolsTiS的激光穩頻方案。SolsTiS的激光環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。使用該超穩激光，配合先進的磁屏蔽系統，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，演示機利用兩種構型完全不同的方案（光纖陣列和AOD）對729激光實現單離子尋址，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激光產品的資深用戶，其開發的基于SolsTiS的超穩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等激光產品，用于其Ca43和Sr88離子阱實驗系統。近年來，隨著M Squared的激光產品在國內的迅速推廣，多個量子信息實驗研究組采購使用了SolsTiS等產品，并已完成了多個重要實驗。