离子阱量子计算简史

2022年9月9日，是离子阱技术的发明之一，诺贝尔奖获得者Hans Georg Dehmelt（汉斯·格奥尔格·德默尔特）诞辰100周年的纪念日。为了纪念这位离子阱技术的先驱，让更多读者了解离子阱这项技术，量子前哨特别翻译了科普作家、物理学博士Chiara Decaroli的文章，文章系统地回顾了离子阱的发明、发展历史，以及它是怎样发展成为与光量子、超导电路并驾齐驱的三大量子计算物理路线之一的。

量子计算的春天正在到来：世界各国政府都争相公布野心勃勃的发展规划和大型项目，初企业如雨后春笋般涌现，众多投资也开始进入这一领域。目前，量子计算的技术路线还处于“百花齐放”的态势，其中备受瞩目技术路线之一就是离子阱。对于大众来说，“离子阱”无疑是一个极其遥远的概念，“离子”是什么？“阱”又是什么？这还得从90年前说起……

离子阱的早期历史

故事始于20世纪30年代的荷兰。一位名叫Frans Michel Penning（弗朗斯·米歇尔·彭宁）的年轻学者在博士期间一直研究气体的热力学特性，他对不同气体在极低温度和特定条件下的放电现象非常着迷。在完成博士工作后，Penning加入了飞利浦研究室继续研究气体放电现象，在当时这项研究的主要应用是开发新的灯具。在研究过程中，他发明了一种称为 Penning 真空计的装置，该装置利用磁场加速电子通过一个玻璃管，可以精确测量管内的压力，即真空计[2]。

到了1949年，美国贝尔实验室的物理学家John Robinson Pierce（约翰·罗宾逊·皮尔斯）在他的《电子束理论与设计》一书中描述了一种“电子陷阱”，在理论上描述了利用电场和磁场的组合，可以将电子捕获并限制在特定的空间区域中[1]。

这项工作引起了德国物理学家Hans Dehmelt的注意[5]，他当时正在撰写博士论文，不久后移居美国。他更详细地研究了描述电子在被捕获时运动的数学理论，并在 1959 年创造了第一个“磁控管”式的离子陷阱，并成功的将电子限定在其中。Dehmelt将这个装置命名为“Penning 阱”，以纪念Penning 在研究磁场对放电的影响方面所做的开创性的研究。Penning阱后来成为对电子和质子等粒子特性进行高精度测量的首选工具。

来自J.R.Pierce《电子束的理论与设计》，1949年。

与此同时，在德国还有另一位物理学家也对捕获带电粒子的技术感到好奇。此时，在质谱研究领域中，将原子电离后进行加速探测的技术已经流行：通过电场和磁场的组合，再根据其荷质比推动和偏转检测器上的电离原子，就可以精确测量给定物质的质量。德国波恩大学的Wolfgang Paul（沃尔夫冈·保罗）于 1953 年提出了一种“没有磁场的新型质谱仪”[6] 。这种质谱仪不仅不需要磁场，而且在处于某些几何形状时它能够限制带电粒子，从而实现捕获并限制离子的功能。于是，射频离子阱（也称为Paul阱）诞生了。其基本思路与Penning阱一致，但无需强磁场。

“一种没有磁场的新型质谱仪”，保罗在1953年提出。

Paul和Dehmelt二人因“发展了离子阱技术”而共同获得了1989年的诺贝尔物理学奖[3]。诺贝尔奖委员会高度评价了他们这一早期发明，使科学家有机会详细研究原子性质和光谱：“原子的性质是由量子力学定律决定的，这些定律使得它们只能具有固定的能级，当不同能级之间发生过渡时，具有一定频率的电磁辐射会发射或吸收。如果单个原子可以在特定条件下被隔离更长时间，就能大大改善研究原子的性质和光谱的机会。”[3]

后排右边：Dehmelt和Paul在1989年诺贝尔奖颁奖典礼上。 图片来自[2]

基本操作和初始几何结构

介绍完离子阱的历史后，让我们再仔细了解一下技术本身。不管是Penning阱还是Paul阱，其原理都是利用静态电场来限制离子运动。但静态电场本身无法在所有空间方向上施加限制。如果离子没有在各个方向受限，就很容易向不封闭的方向逃逸。为了确保离子被捕获在特定的空间中，就需要额外的限制。Penning阱使用的是磁场，而Paul阱使用振荡电场[4]，[7]。

插图：Chiara Decaroli

Penning阱和Paul阱的原始几何结构是上图左侧显示的环状三维陷阱[8]。Paul阱在端盖上应用了静态电场，在环上应用了振荡电场。端盖沿陷阱轴造成了限制，而静态电场环将离子困在径向平面上，即垂直于陷阱轴的平面。Penning阱则向陷阱轴方向施加磁场，所有环和端盖都对其施加了静态电场。与Paul阱类似，磁场的作用是在径向平面上造成限制。在这两种情况下，离子都会被困在环的中间。

二维线性陷阱是三维Paul阱的延伸，但如果没有额外的端盖，就不能将离子限制在陷阱轴上。这种二维配置[7]的陷阱可以用作质谱仪，也是后来三维Paul设计开发的基础。

Penning阱和Paul阱的发展

离子阱最早用作质谱仪，又是怎样演变成为一种量子计算的装置呢？

随着离子阱的出现，人们获得了长时间稳定地限制带电粒子（离子）运动的能力，这才有机会详细研究粒子的性质，并研究它们与环境、外部场的相互作用。此后几种新的技术出现了，使科学家能够控制、操纵这些被捕获的离子，打开新的物理学大门，David Wineland（大卫·温兰德）就是该领域的先驱之一。激光冷却是其中一种技术，通过与激光的相互作用，被捕获离子的能量可以更低了。

这个新的技术非常令人兴奋，不仅在光谱学和精密测量领域有着重要价值，而且为研究量子力学效应提供了非常有趣的途径。1995 年，Ignatio Cirac（伊格纳西奥·西拉克，沃尔夫物理学奖和墨子量子奖得主） 和Peter Zoller（彼得·佐勒，墨子量子奖得主）提出了一种使用超冷被捕获离子来实现量子门的方法[9]。他们的提议引发了一个全新的研究方向：离子阱量子计算。

随着被捕获离子的的应用发生了变化，是时候重新设计Paul阱了。原来的带有端盖的线性Paul阱演化成由圆柱形分段棒组成的棒状阱，然后又出现了叶片阱，以允许更大的光学进入角，以发送和探测离子发出的光。这些形式的离子阱仍然是宏观的，尺度在厘米大小。

牛津大学使用的叶片式量子阱。

图片来源：David Nadlinger

随着被捕获离子作为量子比特的性能越来越好，人们计划用离子阱来构建量子计算机，这对离子阱的大小提出了要求，并需要在缩小离子阱大小的同时，使得阱内捕获的离子尽可能的多。将宏观Paul阱微型化有两种主要的微加工工艺：微观三维离子阱和微表面离子阱，二者都能将离子阱的尺度从厘米缩小到毫米，其中的带电离子被困在离电极几十到几百微米的空间中。

离子陷阱的演变：叶片阱、微观三维阱和微表面阱。

插图：Chiara Decaroli

第一种工艺：微观三维陷阱通过将多个单独的晶圆堆叠在一起制成。晶圆要么由导电材料制成，要么由绝缘材料制成，然后涂上金属以产生电极。离子位于堆栈的中心，这看起来与最早的线性陷阱产生的电场非常相似，这种离子阱可以在从室温到几开尔文超低温下工作。但是其制造和组装工艺非常麻烦，良品率很低。

第二种工艺：微表面阱由单个晶圆制成，可沿用现有的商业产线和光刻技术。离子被困在晶圆平面上方，距离电极表面几十微米。由于它们相对容易制造，当涉及到扩大离子阱的规模以能够捕获更多离子时，微表面阱技术是一个有前途的候选者。

总体而言，Paul阱的设计创新是当下活跃研究领域，并随着新制造技术的发展，出现了更多的可能性。例如可以将光学元件集成到离子阱晶圆中，以提供必要的激光来执行量子门。

带有集成波导的微表面阱，可以传输激光。

插图：ETH新闻[10]

Penning阱现在更多的用于精密测量领域，在量子模拟和多体物理学（如[11]）中也有应用，在量子计算领域它的发展路径也与Paul阱类似。

NIST用Penning阱技术实现的离子晶体[11]

随着量子计算向NISQ（含噪声的中等规模的量子计算）时代的发展，离子阱技术将从捕获数十个离子进步到能捕获数千个离子的水平，这一过程还将需要大量的科研合作、创新设计和工程努力，未来几年中，离子阱的发展将更加令人期待！

关于作者

Chiara Decaroli是一位物理学家，在捕获离子量子信息处理领域攻读博士学位。她专注于设计和制造离子陷阱。她也是一名自由职业的科学插画家，喜欢各种科普相关内容。

https://medium.com/@decarolichiara/a-brief-history-of-ion-traps-for-quantum-information-processing-caa193bc4585

References

[1] “A brief history in time of ion traps and their achievements in science”, Michael H Holzscheiter 1995 Phys. Scr. 1995 69

[2] “Die glimmentladung bei niedrigem druck zwischen koaxialen zylindern in einem axialen magnetfeld”, F. M. Penning, Physica, Volume 3, Issue 9, November 1936, Pages 873–894

[3] www.nobelprize.com

[4] “Physics with Trapped Charged Particles”, Martina Knoop , Niels Madsen and Richard C. Thompson, https://arxiv.org/pdf/1311.7220.pdf

[5] https://en.wikipedia.org/wiki/Hans_Georg_Dehmelt

[6] https://en.wikipedia.org/wiki/Wolfgang_Paul

[7] “Electromagnetic traps for charged and neutral particles”, Wolfrang Paul, Reviews of Modern Physics, Vol. 62, №3, July 1990

[8] “Ein neues Massenspektrometer ohne Magnetfeld”, Wolfgang Paul and Helmut Steinwedel, Zeitschrift für Naturforschung A, Volume 8: Issue 7, 1953

[9] “Quantum Computations with Cold Trapped Ions” J. I. Cirac and P. Zoller, Phys. Rev. Lett.74, 4091–4094 (1995).

[10] https://ethz.ch/en/news-and-events/eth-news/news/2020/10/optische-verdrahtung -fuer-grosse-quantencomputer.html

[11] “Quantum simulation and many-body physics with hundreds of trapped ions”, John J. Bollinger, Joseph W. Britton, and Brian C. Sawyer, CLEO 2013 Technical Digest, OSA 2013

[12] https://aquadrupauliontrap.wordpress.com/

编译： 王衍

编辑：慕一

——end——

本文转载自《量子前哨》微信公众号