专为离子设下的“陷阱”，如何捕获带电粒子做计算？ | 十万个量子为什么（八）

假设你有一个小球，和一块马鞍面，你能采用什么方法把小球稳定放置在马鞍面上呢？是费劲心思凹角度，还是直接哥伦布立鸡蛋？不妨换个思路，让马鞍面旋转起来，神奇的事情便发生了！

▲ 旋转马鞍面中“悬浮”在空中的小球

小球成功“悬浮”了起来，看起来好像被马鞍面这个陷阱“囚禁”了。

1953年，一位德国物理学家沃尔夫冈·保罗 （Wolfgang Paul） 利用了旋转的马鞍面可以囚禁圆球的想法，发明了离子囚禁技术，利用旋转的电场囚禁带电粒子。这就是保罗阱 （Paul Trap） 。他也因发展了离子阱技术获得了1989诺贝尔物理学奖。

▲ 沃尔夫冈·保罗（Wolfgang Paul，1913-1993），德国物理学家

什么是离子阱？离子阱是一种利用电场或磁场将离子（即带电原子或分子）俘获和囚禁在一定范围内的装置。理论上来说，带电粒子被离子阱约束，其行为就能够得到控制。然而，这一简单理论想要通过实验实现却并不容易。

▲Penning离子阱和Paul离子阱

美国物理学家大卫·维因兰德（David Wineland）从上个世纪七八十年代开始尝试操控单个电子，后来他能操控单个离子、做激光制冷，此外他还做了很多先驱性的研究工作。大卫·维因兰德也因研究能够量度和操控个体量子系统的突破性实验方法，获得了2012年诺贝尔物理学奖。

▲大卫·维因兰德（David Wineland，1944-），美国物理学家

为什么离子阱能用于量子计算？首先，原子本身就是很好的量子比特。例如，我们现在使用铯原子的超精细结构能级，凭借其本身非常精确的跃迁，可以制造原子钟。接下来，我们使用电场、电磁场、射频微波，甚至是激光去操控原子跃迁，从而更加精密地定义时间以及频率标准。

为了实现计算，我们需要让不同的量子比特产生各种相互作用。通过激光的桥梁，把离子的内态信息与其运动态信息耦合起来。而不同离子之间的运动态又可以通过库伦相互作用相互耦合，从而将信息传给其他离子。

▲ 在这个豪华场地里，离子可以与外界环境隔离，所以它们的量子叠加态可以保持很久 。

包括离子阱在内的量子计算平台目前面临的挑战在于，科学家们需要在高保真度的情况下操控更多的量子比特。但当我们操控量子比特的时候，环境里的噪声对量子操作的影响不可忽略不计。而我们不仅要能精确地控制一两个甚至几十个量子比特，还要把精确控制扩展到成千上万个量子比特。离子阱的挑战性就在于，除此之外，这个系统还要集成光和电，因此需要同时应对来自光学和电子学系统中的噪声，技术方面难度比较大。

即使如此，中外科学家们在离子阱量子计算领域也仍在不断探索。2024年5月，中国科学家首次实现512个离子的稳定“囚禁”和冷却，以及对300离子量子比特的量子模拟计算，相关研究结果发表于Nature上 [1] 。同年5月，Quantinuum公司宣布推出业界首台具 56量子位离子阱量子计算机，计算精度极高 [2] 。

参考文献

[1]Guo, SA., Wu, YK., Ye, J. et al. A site-resolved two-dimensional quantum simulator with hundreds of trapped ions. Nature (2024).

本文转载自《墨子沙龙》微信公众号

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