研究背景

量子計(jì)算機(jī)的每個(gè)量子比特（qubit）是傳統(tǒng)比特?cái)?shù)0和1的量子疊加。相較于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算力有指數(shù)級的提升，從而具有“量子優(yōu)越性”。離子阱(trapped ion)量子計(jì)算機(jī)是當(dāng)前量子計(jì)算機(jī)中最成熟和最有前景的類型之一。然而，受限于光學(xué)尋址系統(tǒng)中自由空間光學(xué)器件的低集成度和大體積，離子阱量子計(jì)算機(jī)面臨可拓展性差的難題?，F(xiàn)有光學(xué)聚焦器件，如折射透鏡組、微納加工的菲涅爾透鏡陣列，難以同時(shí)滿足離子阱量子計(jì)算機(jī)對聚焦透鏡陣列可拓展性和聚焦性能的要求。

文章簡介

超透鏡是一種具有聚焦功能的超表面，具有高效、光學(xué)性能優(yōu)異、集成度高、小型化和與CMOS工藝兼容等優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)有研究表明超透鏡陣列可用于產(chǎn)生二維均勻光斑陣列，并已經(jīng)應(yīng)用于光場相機(jī)、量子態(tài)操控等領(lǐng)域?，F(xiàn)有的超透鏡陣列大多采用近軸設(shè)計(jì)，而離軸設(shè)計(jì)的超透鏡具有可任意調(diào)整焦點(diǎn)位置的優(yōu)點(diǎn)。把離軸設(shè)計(jì)的多自由度和二維超透鏡陣列結(jié)合起來，有可能設(shè)計(jì)出一種可拓展超透鏡陣列，能高效產(chǎn)生一維均勻排布、間距小，且串?dāng)_低的光斑陣列。此超透鏡陣列有望提升當(dāng)前光學(xué)尋址系統(tǒng)的可拓展性和集成度。

近期，華中科技大學(xué)趙茗研究團(tuán)隊(duì)的胡鐵等人提出了一種用于光學(xué)尋址系統(tǒng)的可拓展超透鏡陣列設(shè)計(jì)，能把入射的二維獨(dú)立尋址光束陣列匯聚成一維低串?dāng)_的光斑陣列，

圖文導(dǎo)讀

胡鐵等人提出了一種基于近軸和離軸超透鏡的可拓展超透鏡陣列設(shè)計(jì)，該超透鏡陣列每個(gè)元胞中的超透鏡在空間上呈中心對稱的 “Z”字形排布，如圖1所示。能輸出任意數(shù)量鏈狀排布的光斑陣列，光斑間距約為5μm，串?dāng)_小于0.82%，光斑半徑0.55μm-0.75μm。

圖1 可拓展超透鏡陣列的結(jié)構(gòu)示意圖。(a)超透鏡元胞的示意圖。超透鏡原跑中的超透鏡在空間上呈中心對稱的“Z”字形排布，由Nb2O5或空氣柱構(gòu)成,每一個(gè)超透鏡與相應(yīng)標(biāo)號的聚焦光斑對應(yīng)。若超透鏡陣列元胞中超透鏡個(gè)數(shù)為n，光斑間距為d，超透鏡元胞的周期則為d?n。(b)可拓展超透鏡陣列的結(jié)構(gòu)示意圖?？赏卣钩哥R陣由一個(gè)超透鏡元胞在x方向（光斑陣列方向）周期拓展構(gòu)成。內(nèi)插圖表示輸出的一維均勻排布的光斑陣列。在光學(xué)尋址中，每一個(gè)聚焦光斑對應(yīng)一個(gè)離子

由于空間對稱性，在每一個(gè)超透鏡元胞中，我們只需要研究超透鏡2、3和5的光學(xué)特性。通過研究這3個(gè)超透鏡分別在x方向和y方向線偏振光入射條件下的聚焦特性（如圖2所示），發(fā)現(xiàn)所有超透鏡對x方向線偏振入射光能很好地聚焦，對y方向線偏振光能很好地散射，其偏振消光比可以達(dá)到13.97 dB。進(jìn)一步地，該團(tuán)隊(duì)也研究了此超透鏡元胞的縱向光場分布和光學(xué)串?dāng)_?？梢园l(fā)現(xiàn)輸出的5個(gè)聚焦光斑呈鏈狀均勻排布，超透鏡2、3和5的光學(xué)串?dāng)_分別為0.25%、0.15%和0.19%。聚焦光斑之間的低光學(xué)串?dāng)_能增強(qiáng)量子計(jì)算機(jī)的保真度。

圖2 超透鏡2、3、5的聚焦特性，這些超透鏡僅對x方向線偏振光敏感

圖3 對x方向線偏振光敏感的超透鏡元胞的聚焦特性。(a), (b)分別為xz平面和焦平面上的歸一化光強(qiáng)分布。(c)-(g)為超透鏡元胞中的每一個(gè)超透鏡獨(dú)立工作時(shí)，焦平面上的歸一化光強(qiáng)分布

總結(jié)和展望

本論文提出了一種用于離子阱量子計(jì)算機(jī)光學(xué)尋址技術(shù)的可拓展超透鏡陣列設(shè)計(jì)，能將入射的二維獨(dú)立尋址光束陣列聚集為一維鏈狀均勻排布的光斑陣列，光斑間距約為5μm，光斑半徑0.55μm-0.78μm，串?dāng)_小于0.82%。本論文提出的設(shè)計(jì)有望解決光學(xué)尋址系統(tǒng)中聚焦透鏡的可拓展性差和集成度低的難題，在量子信息處理，光與物質(zhì)相互作用領(lǐng)域有重要的應(yīng)用前景。