离子阱定量成像测试

——Photonis新一代像增强器相机INocturn

 

研究背景

       量子计算机是一种可以实现量子计算的机器，它通过量子力学规律以实现数学和逻辑运算，处理和储存信息。它以量子态为记忆单元和信息储存形式，以量子动力学演化为信息传递与加工基础的量子通讯与量子计算，在量子计算机中其硬件的各种元件的尺寸达到原子或分子的量级。量子计算机是一个物理系统，它能存储和处理用量子比特表示的信息。

 

      事实上，当“量子计算”这一概念被提出之后，科学家们就前赴后继，为了在物理上和工程上实现它而努力。迄今为止，科学家们提出过的量子计算机的实现形式有很多种，最终大浪淘沙，现今主流的实现量子计算的三种方式是超导电路、半导体量子芯片和离子阱，这其中离子阱量子计算由于具有单量子比特门、双量子比特门保真度高、相干时间较长、状态制备和读出更直接和量子比特可重复性高的特点，成为目前热门的量子计算技术。

 

      离子如何被捕获，又如何被控制呢？离子是单个带电荷的原子，通过控制电荷来控制电场和磁场、热离子加激光、激光冷却后，离子的速度就可以变得很低，最后用光再测量。

 

      由于离子是极小的目标，因此发光非常微弱，离子状态的确定需要准确、快速，而且最好能扩展到许多离子。传统的方法需要使用电子倍增探测器（EMCCD）进行观测。然而EMCCD的价格比较昂贵，且货期具有非常大的不确定性。

 

最近Photonis新推出了INocturn系列新一代像增强器相机，相较于EMCCD，INocturn具有如下显著优点。

 

 

灵敏度高：单离子成像最短曝光之间可低至16us，以更小的时间单位得到泊松分布情况

读出速度快： 通过ROI，上限可至50K fps

体积小重量轻：37 x 37 x 85 mm，170g，更易于集成在量子计算机中

即插即用：USB供电及通讯，无需多余电缆

性价比高：卓越的价格优势，可助力量子计算机的规模化应用

货期保证：1-2个月的货期，且没有任何出口限制

 

 

实验系统

 

       近期我们在中国科学技术大学对INocturn系列像增强相机做了单离子成像测试，在各种不同工作模式下做了多组测试，获得了用户的认可，此款像增强相机可以作为离子阱探测的一种新的选择。

 

 

 

实验记录：

 

测试对象：Be⁺离子, 313nm点光源光信号

实验相机：INocturn HI-QE Blue像增强相机

 

1.连续模式拍照测试

 

                

 

2.点光源单次成像测试

 

 

测试过程：设置固定积分时间，让相机在两种不同条件下进行连续拍照，以表征在短曝光时间的情形下，相机对信号的读出可靠性。

a.有一个发光的点光源信号

b.没有点光源信号，有杂散光（等同于点光源不发光的情形）

 

参数：

积分时间 0.056ms

拍照数量 100

使用软件处理拍下来的照片，其中有信号的照片100张，没有信号的100张 通过图像处理找到点光源位置，以此为中心设置合适的ROI

 

 

 

对ROI内像素进行求和处理得到计数，画出在三种情况下计数分布直方图

绿色：无杂散光，纯暗记数（取照片上杂散光照不到的区域）

蓝色：没有点光源信号，杂散光引起的一些计数

橙色：点光源信号

 

亮度分辨直方图：

 

 

 

可见当设置threshold为25时，可以以较高几率正确区分信号亮态和暗态

 

 

延长积分时间，重复试验

积分时间 0.300ms

拍照数量 100

追踪点光源位置（100张平均）

 

 

亮度分辨直方图：

 

 

以上实验数据来源：中国科学技术大学物理学院近代物理系量子信息实验室。