近日,启科量子正式发布了模块化低温离子阱(以下简称),这是启科量子继发布量子测控系统之后在离子阱量子计算机工程化领域又一重大突破。将离子阱相关的光学、机械和电子三大要素进行了模块化整合设计,实现了离子阱整体封装,支持即插即用,为离子阱量子计算系统的小型化和商用化奠定了基础,引领了离子阱技术低温模块的技术趋势。
囚禁离子量子体系是最有希望用于实际量子计算(QC)的系统之一,作为囚禁离子量子计算机的核心部件,离子阱本身的性能直接决定了量子比特的数量和质量,因此离子阱的设计优化和工艺改进一直是离子阱量子计算领域的研究热点之一。
目前,全球的离子阱研发团队在提高离子阱囚禁性能方面已经取得了比较丰富的科研成果,各种不同形式的离子阱已经得到应用,如四极杆阱、刀片型离子阱、针极阱、2.5D多层电极阱以及表面阱等。其中,面向科研的离子阱因为注重囚禁性能,所以一直存在装配难度大、电气和光学整合设计不完善、对操作者专业度要求高等问题。为实现便捷的工程化安装,美国ColdQuanta公司和奥地利AQT公司分别推出了模块化设计的离子阱封装产品,但国内的科研院所和相关量子计算公司都没有开展相关研发,这一直是国内原子型量子计算机领域的空白。
图1 国外某科研团队的刀片型离子阱
图2 奥地利的AQT公司推出的常温离子阱产品PINE在上述背景下,作为亚洲第一、国内首家离子阱量子计算公司,启科量子从2021年7月份开始着手研发低温离子阱模块化封装产品。该产品采用分段式刀片电极结构,通过高度集成化的设计和微纳加工工艺,在火柴盒大小的空间内将离子阱电极、直流滤波电路、原子源进行整体封装,并提供了标准化的电气接口和光学通道。在超高真空获取方面,基于低温泵效应和高性能吸附材料,在离子阱封装内部直接实现超高真空获取。
图3 的外观效果图
外壳为八面柱体设计,采用高纯度无氧铜材料,性能得以保证。表面进行了镀金处理,以防止表面氧化,这样的设计大幅降低了表面放气率和黑体发射率,提高了离子阱工作环境的真空度,降低了辐射漏热。考虑到激光操控的便捷性,的八面体外壳上设置了多个激光视窗,表面增透镀膜技术使激光透射率高达95%以上。同时,为缩短光子收集物镜到离子阱中心的距离,外壳表面还设置了光子收集圆锥形内凹透射窗口,光子收集效率大幅提升,量子态探测保真度得到保障。
在电路设计方面,启科量子科研团队放弃了自由空间走线方式,而是对微型高密度多芯接口及微型射频连接器进行标准化设计,实现了内部电路的紧凑化。同时,电极的对称斜角分布有助于长链型离子囚禁,这也得益于电路设计带来的空间盈余。
图4 与一元硬币的大小对比图
目前,已完成设计,正在进行加工及测试,相关知识产权已提交申请/授权通过。经过不懈努力,该产品已开启订购,国内多所高校及科研机构已表达了购买意愿并与启科量子开展洽谈。的成功研发,意味着我国在离子阱量子计算核心部件方面掌握了自主知识产权,为离子阱路线的量子计算机实现百比特,乃至千比特打下了坚实的基础。启科量子作为国内离子阱量子计算的领先企业,不断推进量子计算机的工程化、产品化,本次率先在国内实现了离子阱模块产品化,为我国的量子计算产业化发展注入了强劲力量。
