导读
据瑞士苏黎世联邦理工学院官网近日报道，该校研究人员演示了一项新技术，可以在原子上开展敏感的量子运算。在这项技术中，控制激光直接在芯片内部传送，从有望打造基于囚禁离子的大规模量子计算机。
背景
在我们作报告时，用激光笔照射屏幕上的一个特定的点，并不是一件容易的事。即便是最细微的紧张颤抖，都会在远处形成一个巨大的涂鸦。现在，让我们想象一下，如果必须用几只激光笔同时这么做时，结果又会怎样？
（图片来源：维基百科）
这正是尝试采用独立的囚禁原子构造量子计算机的科学家们所面临的问题。他们也需要在几米之外精确地对准激光束（同一个装置上有几百个甚至几千个激光束），使之可以照射到尺寸仅几微米的含有原子的区域。任何多余的颤动都会严重干扰量子计算机的运作。
创新
近日，在瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich），乔纳森·霍姆（Jonathan Home）及其在量子电子研究所的同事们演示了一种新方法，以一种稳定的方式，将多个激光束准确地照射到芯片内适当的位置，甚至可以在原子上执行最细微的量子运算。
具有集成波导的离子阱芯片。激光通过右边的光纤被直接送入芯片中。（图片来源：K. Metha / ETH Zurich）
这项研究最近发表在科学期刊《自然》（Nature）杂志上。
技术
30多年来，打造量子计算机一直是物理学家们的一个宏伟目标。结果，囚禁在电场中的带电原子（离子）成为了量子位的理想候选方案，而量子计算机正是使用量子位来进行计算的。目前为止，通过这种方式，我们可以实现含有12个左右量子位的小型计算机。
(图片来源: S. Debnath and E. Edwards/联合量子研究所）
霍姆实验室的博士后研究员、这项研究的第一作者卡兰·梅塔（Karan Mehta）表示：“然而，如果你想要打造含有几千个量子位的量子计算机，那么目前的实现方案会面临一些重大障碍，但是这种量子计算机对于实际相关应用来说很可能是必需的。”从根本上说，问题在于，如何跨越几米的距离，从一个激光器向一个真空装置发送激光束，并最终击中低温恒温器中的靶心。在低温恒温器内，离子阱被冷却至绝对零度以上的几度，从而最大限度地减小热扰动。
梅塔解释道：“在目前的小规模系统中，传统光学器件已成为重要的噪音与错误来源，并且在设法扩大规模时，管理起来难度要大得多。”量子位添加得越多，控制量子位所需的激光束光学器件就会越复杂。霍姆研究小组的博士生张弛（音译：Chi Zhang）补充道：“我们的方案正是来源于此。通过将微型波导集成到含有电极（用于囚禁离子）的芯片中，我们可以直接向这些离子发射光线。通过这种方式，低温恒温器或者装置的其他部件颤动所造成的扰动会小得多。”
研究人员委托一家专门负责生产芯片的厂家来制造这种芯片，芯片含有离子阱所需的金电极，以及在更深层中的激光波导。在芯片的一端，光纤将光线送入仅100纳米厚的波导中，在芯片中有效地形成光学布线。这些波导中的每一个都通向芯片中一个特定的点，光线最终在那里转向表面上的囚禁离子。
具有集成波导的离子阱。控制两个囚禁离子（蓝色）的激光（红色）被送入芯片中的离子阱。（图片来源：Chiara Decaroli / ETH Zurich）
几年前，目前这项研究的几位作者和美国麻省理工学院（MIT）以及麻省理工学院林肯实验室一起开展的一项研究工作已经证明，这个方案原则上可行。现在，苏黎世联邦理工学院的研究小组将这项技术发展和完善到一个程度，使之可用于实现不同原子之间的低误差量子逻辑门，这是打造量子计算机的重要前提。
在传统计算机芯片中，逻辑门用于执行逻辑运算，例如与（AND）或者或非（NOR）。为了打造量子计算机，我们必须保证可以在量子位上执行这样的逻辑运算。这么做存在的问题就是，作用于两个甚至更多量子位的逻辑门对于扰动特别敏感。这是由于它们创造出来的量子力学状态是脆弱的，在这种状态下，两个离子同时处于叠加态，也称为纠缠的状态。
ETH 研究人员的新型芯片的横截面图。金电极用于囚禁离子，而激光被直接引导至光学层中的离子。（图片来源：Chiara Decaroli / ETH Zurich）
在这样的一种叠加态中，两个离子无需直接接触，对一个离子进行测量会影响到另一个离子的测量结果。这些叠加态制造得有多好，那么这些逻辑门工作得就有多好，这些都是通过所谓的“保真度”来表达的。作为博士生参与这个实验的马切伊·马林诺夫斯基（Maciej Malinowski）表示：“通过这个新型芯片，我们可以实现两个量子位的逻辑门，并使用它们制造出纠缠状态。迄今为止，这种保真度只在最佳的传统实验中实现过。”
因此研究人员表示，他们的方案对于未来离子阱量子计算机来说非常有意义，因为它不仅极度稳定而且可扩展。他们目前正在研究不同的芯片，打算一次可以控制多达10个量子位。此外，他们正在研究新的设计，通过光学布线来实现快速精准的量子运算。
关键词
量子、离子、逻辑、芯片、光学
参考资料
【1】Karan K. Mehta, Chi Zhang, Maciej Malinowski, Thanh-Long Nguyen, Martin Stadler, Jonathan P. Home. Integrated optical multi-ion quantum logic. Nature, 2020; 586 (7830): 533 DOI: 10.1038/s41586-020-2823-6
【2】https://ethz.ch/en/news-and-events/eth-news/news/2020/10/optische-verdrahtung-fuer-grosse-quantencomputer.html
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