用于大型量子计算机的新型离子陷阱

苏黎世联邦理工学院的研究人员成功地利用静电场和磁场捕获离子，并对它们进行量子操作。未来，此类陷阱可用于实现具有比迄今为止更多量子比特的量子计算机。

原子中电子的能量状态遵循量子力学定律：它们不是连续分布的，而是局限于某些明确定义的值——这也称为量子化。这种量子态是量子比特(qubit)的基础，科学家们希望用它来构建极其强大的量子计算机。为此，原子必须被冷却并被困在一个地方。

强捕获可以通过使原子电离来实现，这意味着给它们带上电荷。然而，电磁学的基本定律表明，随时间恒定的电场无法捕获单个带电粒子。另一方面，通过添加振荡电磁场，可以获得稳定的离子陷阱，也称为保罗陷阱。

通过这种方式，近年来已经可以构建带有包含大约30个量子位的离子阱的量子计算机。然而，更大的量子计算机不能直接用这种技术来实现。振荡场使得在单个芯片上组合多个此类陷阱变得困难，并且使用它们会使陷阱升温——随着系统变得越来越大，这是一个更严重的问题。同时，离子的传输被限制为沿着由十字连接的线性部分通过。

具有磁场的离子阱

由乔纳森·霍姆(JonathanHome)领导的苏黎世联邦理工学院的一个研究小组现已证明，适用于量子计算机的离子陷阱也可以使用静态磁场而不是振荡场来构建。在那些带有附加磁场的静态陷阱(称为潘宁陷阱)中，实现了任意传输和未来超级计算机所需的操作。研究人员最近在科学杂志《自然》上发表了他们的研究结果。

“传统上，当人们想要捕获大量离子进行精密实验，但又不需要单独控制它们时，就会使用潘宁陷阱，”博士说。学生ShreyansJain。“相比之下，在基于离子的小型量子计算机中，使用的是保罗陷阱。”

ETH研究人员使用潘宁陷阱构建未来量子计算机的想法最初遭到了同事的怀疑，原因有多种。潘宁陷阱需要极强的磁铁，这些磁铁非常昂贵且体积庞大。

此外，潘宁陷阱之前的所有实现都非常对称，而ETH使用的芯片级结构违反了这一点。将实验放在大磁铁内，很难将控制量子位所需的激光束引导到陷阱中，而强磁场会增加量子位能态之间的间距。这反过来又使得控制激光系统变得更加复杂：需要多个锁相激光器，而不是简单的二极管激光器。

在二维平面中移动单个被捕获的离子并用激光束照射它，研究人员可以创建ETH徽标。图像是通过多次重复传输序列而形成的。图片来源：苏黎世联邦理工学院/量子电子研究所

任意方向运输

然而，霍姆和他的合作者并没有被这些困难吓倒，他们基于超导磁体和带有多个电极的微加工芯片构建了一个潘宁陷阱，该芯片是在不伦瑞克的联邦物理技术学院生产的。所使用的磁铁可产生3特斯拉的磁场，几乎是地球磁场的100,000倍。苏黎世研究人员利用低温冷却镜系统，成功地将必要的激光通过磁铁引导到离子上。

这些努力得到了回报：单个被捕获的离子可以在陷阱中停留数天，现在可以在芯片上任意移动，通过控制不同的电极“如乌鸦飞翔”地连接点——这在以前是不可能的基于振荡场的旧方法。由于捕获不需要振荡场，因此许多陷阱可以封装在单个芯片上。

“一旦它们充电，我们甚至可以将电极与外界完全隔离，从而研究离子受外部影响的干扰程度，”博士期间参与该实验的TobiasSägesser说道。学生。

量子位的相干控制

研究人员还证明，在保持量子力学叠加的同时，也可以控制被捕获离子的量子位能态。相干控制既适用于离子的电子(内部)状态和(外部)量子振荡状态，也适用于耦合内部和外部量子态。后者是创建纠缠态的先决条件，这对量子计算机很重要。

下一步，Home希望在同一芯片上的相邻潘宁陷阱中捕获两个离子，从而证明也可以执行多个量子位的量子操作。这将是量子计算机可以使用潘宁陷阱中的离子实现的明确证据。这位教授还考虑了其​​他应用。例如，由于新陷阱中的离子可以灵活移动，因此它们可用于探测表面附近的电场、磁场或微波场。这使得使用这些系统作为表面特性的原子传感器成为可能。