新型离子阱有望扩大量子计算规模

　　瑞士苏黎世联邦理工学院的研究团队开发了一种新型离子阱，与传统寄托振荡电磁场的要领没有同，该离子阱哄骗动态电场以及磁场来捕捉离子，并能正在此中举行量子相关把持。应用动态电场以及磁场的潘宁（Penning）离子阱不只能完成离子正在芯片上肆意标的目的的运输，还许可正在坚持量子力学叠加态的同时节制离子的量子能级。该研究斥地了离子阱设计的新可能，无望使患上将来的离子阱量子计较性能够包括的量子比特数量凌驾以后约30量子比特的记载，还可能用于探测名义性子的量子传感器。该结果于3月13日颁发正在《天然》杂志上。

　　© Nature 研究论文以《用于量子计较的微型潘宁阱(Penning micro-trap for quantum computing)》为题颁发于《天然》杂志。

　　原子中电子的能态遵照量子力学定律：它们并非持续漫衍的，而是局限于某些特定的值。这些量子化的能态是量子比特的根蒂根基，迷信家们但愿哄骗量子比特构立功能极为壮大的量子计较机。为了到达这个目的，原子必需被冷却并被囚禁正在一个处所。

　　强效的囚禁可以经由过程电离原子来完成，也就是给原子一个电荷。然而，电磁学的一个基本定律指出，正在时间上恒定的电场不克不及囚禁单个带电粒子。是以，传统要领上经由过程增长一个振荡的电磁场，可以获得一个波动的离子阱，其被称为保罗阱(Paul trap)。经由过程上述体式格局，最近几年来曾经可创造出含有约莫30个量子比特的离子阱量子计较机。然而，更年夜的量子计较机无奈用这类技能间接完成。振荡场使患上正在单个芯片上组合多个如许的离子阱变患上坚苦，而且应用振荡场会加热离子阱。跟着体系范围扩展，后者是一个更为显著的问题。同时，离子只能沿直路线径挪动，而且正在到达路径的交汇点时能力转向其余标的目的，限定了离子正在二维立体上的自由挪动，升高了体系的矫捷性，也对年夜范围量子计较的扩大组成应战。

　　苏黎世联邦理工学院研究团队的试验安装。离子阱芯片位于银色圆顶下方的容器内。图片来历: ETH Zurich / Pavel Hrmo

　　研究团队此刻验证了，合用于量子计较机的离子阱也能够应用动态磁场而非振荡磁场来构建。这些带有分外磁场的动态离子阱也被称为潘宁阱(Penning trap)，研究团队正在此中展示了离子肆意输运以及极长的静止态相关时间，为将来构建量子计较机奠基根蒂根基。

　　潘宁阱需求很是强的磁场，其不只低廉并且至关粗笨。此外，以前一切完成的潘宁阱都是高度对称的，研究团队所应用的芯片标准架构则冲破了这一点。正在一个强磁场里举行试验会使指导节制量子比特所需的激光束进入离子阱中变患上坚苦，而强磁场也会增长量子比特能级的间距。这反过来又需求多个锁相激光器，使患上节制激光体系变患上越发庞大。

　　研究团队为了降服这些坚苦，创造了一个基于超导磁体以及带有多个电极的微加工芯片的潘宁阱。他们所应用的磁铁发生的磁场为3特斯拉，险些是地球磁场的10万倍。研究团队哄骗一个高温冷却的反射镜体系，胜利地将激光经由过程磁铁指导到离子上。

　　研究团队所应用的潘宁阱的中心局部示用意。离子（白色）被磁场与没有同电极（黄色）发生电场的组合所囚禁。

图片来历: ETH Zürich / Institute for Quantum Electronics

　　这些起劲获得了报答：单个囚禁离子可以正在阱中逗留数天，并可以经由过程节制没有同的电极而正在芯片上肆意挪动——这正在以前基于振荡场的旧要领中是不成能的。因为再也不需求振荡场来囚禁离子，很多阱可以被封装到单个芯片上。

　　研究职员还可以正在坚持量子叠加的同时节制囚禁离子的量子比特能态。相关节制既合用于离子的电子态（内态）与量子化的振荡能级（外态），也合用于内态以及外态的耦合。后者是创立纠缠态的先决前提，对量子计较机尤其重要。

　　下一步，研究团队但愿正在繁多芯片上相邻的潘宁阱中囚禁两个离子，从而证实该要领也能够履行多个量子比特的量子操作。这将是量子计较机可由潘宁阱中的离子来完成的决议性证据。研究团队还想到了其余的使用。例如，因为新型阱中的离子可以矫捷挪动，它们可以用来探测名义相近的电场、磁场或微波场，为将这些体系用作名义性子的原子传感器斥地了可能性。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-024-07111-x

报导链接：

https://phys.org/news/2024-03-ion-larger-quantum.html