R. Blatt作為(wei) 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(yu) 其博士畢業(ye) 學生Thomas Monz和著名物理學家Peter Zoller一起創辦的一家專(zhuan) 注離子阱量子計算的科技公司。R. Blatt研究組與(yu) AQT公司合作多年，致力於(yu) 建造Advanced Quantum computation with Trapped IONs (AQTION)。

本文介紹的演示機係統將離子阱實驗係統從(cong) 龐大的實驗室平台集成進了了兩(liang) 個(ge) 19英寸服務器機櫃中。這一模塊化的量子計算係統包括離子阱及其真空係統，電子電路控製係統和激光係統。作為(wei) 整個(ge) 係統中最重要的組成部分，激光係統為(wei) 離子的電離、囚禁、冷卻、探測、相幹操作提供穩定的光源。通常，激光係統在實驗室平台中會(hui) 占據大部分的空間，AQT的研究人員通過精妙的設計，在保證係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(guan) 都塞進了兩(liang) 個(ge) 小小的機櫃之中。我們(men) 今天介紹的主要對象，729nm超穩激光係統就是其中之一。

圖1：演示機的模塊布局圖。光學機櫃主要包含大部分非相幹光源和729nm相幹光源，以及光纖分發和光開關(guan) 模塊，離子阱機櫃包含離子阱和進阱光路。兩(liang) 個(ge) 機櫃之間通過光纖進行連接。兩(liang) 個(ge) 機櫃都具備很好的機械和溫度穩定性，保證了整個(ge) 係統的性能。

R. Blatt研究組從(cong) 20多年前就開始致力於(yu) Ca離子量子計算平台的開發，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的演示機係統同樣使用Ca40離子作為(wei) 量子比特的載體(ti) ，量子比特類型選用光學量子比特。Ca40離子擁有兩(liang) 個(ge) 壽命超過1秒的亞(ya) 穩態能級D5/2和D3/2，通常將量子比特的1態取為(wei) D5/2態的某個(ge) 塞曼能級，將0態取為(wei) 離子基態S1/2的某個(ge) 塞曼能級。利用一束波長為(wei) 729nm的激光，可以實現量子態的相幹性操作，從(cong) 而進一步實現單量子比特門和雙量子比特門。為(wei) 了保證量子比特在操作過程不丟(diu) 失相幹性，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。由於(yu) 該S到D的躍遷為(wei) 電四極躍遷，自然線寬僅(jin) 為(wei) 136mHz，這就要求729激光線寬需要窄至Hz量級，以獲得百ms量級的量子比特相幹時間。因此729超穩激光係統在Ca離子阱係統中扮演著重要的角色。

圖2：基於(yu) Ca40離子的光學量子比特方案。S1/2態到P1/2態的電偶極躍遷用於(yu) 多普勒冷卻和熒光探測，S1/2態到D5/2態的電四極躍遷用於(yu) 離子的邊帶冷卻、初態製備和相幹操作。相幹操作所需的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(chan) 生超穩729激光。近年來，老一代的單頻鈦寶石激光產(chan) 品的技術更新不足可靠性難以滿足要求，同時由於(yu) 全新設計的英國M Squared公司的單頻鈦寶石激光器優(you) 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的演示機係統中的729光源使用了M Squared公司的SolsTiS單頻可調諧鈦寶石激光器。與(yu) 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(ti) ，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範圍（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(wei) Ca離子阱的729nm主激光光源。

R. Blatt研究組開發了基於(yu) SolsTiS的激光穩頻方案。SolsTiS的激光環形腔中的一麵腔鏡貼有快速和慢速兩(liang) 片壓電陶瓷，快速壓電陶瓷的共振頻率在105kHz，用於(yu) 壓窄激光線寬，慢速壓電陶瓷具有更大的頻率調諧範圍，用於(yu) 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(jin) 使用SolsTiS自身的反饋通道時，可以將激光線寬壓窄至30Hz量級這得益於(yu) 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(wei) 該超穩激光增加了一個(ge) 額外的AOM用於(yu) 更快速的反饋，並最終將激光線寬壓窄至3.6Hz。使用該超穩激光，配合先進的磁屏蔽係統，AQT演示機可將Ca離子光學量子比特相幹時間延長至百毫秒量級，並將兩(liang) 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(wan) 個(ge) 兩(liang) 比特門的量子線路的量子操作。此外，演示機利用兩(liang) 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，並保持了高達99%的單離子尋址兩(liang) 比特門保真度。

圖3：R. Blatt組使用M Squared SolsTiS鈦寶石激光器作為(wei) 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(yu) AQT公司作為(wei) M Squared激光產(chan) 品的資深用戶，其開發的基於(yu) SolsTiS的超穩激光鎖頻方案也被多個(ge) 實驗組所學習(xi) 使用。作為(wei) 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(chan) 品，用於(yu) 其Ca43和Sr88離子阱實驗係統。近年來，隨著M Squared的激光產(chan) 品在國內(nei) 的迅速推廣，多個(ge) 量子信息實驗研究組采購使用了SolsTiS等產(chan) 品，並已完成了多個(ge) 重要實驗。