研究背景

量子計算機的每個量子比特（qubit）是傳統比特數0和1的量子疊加。相較于傳統計算機，量子計算機的計算力有指數級的提升，從而具有“量子優越性”。離子阱(trapped ion)量子計算機是當前量子計算機中最成熟和最有前景的類型之一。然而，受限于光學尋址系統中自由空間光學器件的低集成度和大體積，離子阱量子計算機面臨可拓展性差的難題。現有光學聚焦器件，如折射透鏡組、微納加工的菲涅爾透鏡陣列，難以同時滿足離子阱量子計算機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、光學性能優異、集成度高、小型化和與CMOS工藝兼容等優點。現有研究表明超透鏡陣列可用于產生二維均勻光斑陣列，并已經應用于光場相機、量子態操控等領域。現有的超透鏡陣列大多采用近軸設計，而離軸設計的超透鏡具有可任意調整焦點位置的優點。把離軸設計的多自由度和二維超透鏡陣列結合起來，有可能設計出一種可拓展超透鏡陣列，能高效產生一維均勻排布、間距小，且串擾低的光斑陣列。此超透鏡陣列有望提升當前光學尋址系統的可拓展性和集成度。

近期，華中科技大學趙茗研究團隊的胡鐵等人提出了一種用于光學尋址系統的可拓展超透鏡陣列設計，能把入射的二維獨立尋址光束陣列匯聚成一維低串擾的光斑陣列，

圖文導讀

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計，該超透鏡陣列每個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。能輸出任意數量鏈狀排布的光斑陣列，光斑間距約為5μm，串擾小于0.82%，光斑半徑0.55μm-0.75μm。

圖1 可拓展超透鏡陣列的結構示意圖。(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或空氣柱構成,每一個超透鏡與相應標號的聚焦光斑對應。若超透鏡陣列元胞中超透鏡個數為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構示意圖。可拓展超透鏡陣由一個超透鏡元胞在x方向（光斑陣列方向）周期拓展構成。內插圖表示輸出的一維均勻排布的光斑陣列。在光學尋址中，每一個聚焦光斑對應一個離子

由于空間對稱性，在每一個超透鏡元胞中，我們只需要研究超透鏡2、3和5的光學特性。通過研究這3個超透鏡分別在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），發現所有超透鏡對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到13.97 dB。進一步地，該團隊也研究了此超透鏡元胞的縱向光場分布和光學串擾。可以發現輸出的5個聚焦光斑呈鏈狀均勻排布，超透鏡2、3和5的光學串擾分別為0.25%、0.15%和0.19%。聚焦光斑之間的低光學串擾能增強量子計算機的保真度。

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分布。(c)-(g)為超透鏡元胞中的每一個超透鏡獨立工作時，焦平面上的歸一化光強分布

總結和展望

本論文提出了一種用于離子阱量子計算機光學尋址技術的可拓展超透鏡陣列設計，能將入射的二維獨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，串擾小于0.82%。本論文提出的設計有望解決光學尋址系統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，光與物質相互作用領域有重要的應用前景。