登上Nature：高精度3D打印微型离子阱技术

2025年9月，南极熊获悉，由加州大学伯克利分校、劳伦斯利弗莫尔国家实验室等顶尖机构组成的联合研究团队，利用双光子聚合（two-photon polymerization, 2PP）的高分辨率3D打印技术，成功制造出性能卓越且可规模化生产的微型三维（3D）离子阱阵列。这项技术巧妙地融合了传统大型3D陷阱的强大性能与平面微加工技术的扩展优势，有效解决了长期以来困扰量子信息领域的一大技术瓶颈，相关成果发表在《自然》杂志上，题为 "3D-printed micro ion trap technology for quantum information applications" 。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09474-1

实验结果表明， 这种新型离子阱能够以极高的效率囚禁和操控单个离子，其径向阱频率高达24 MHz，并且仅需使用标准的多普勒冷却技术即可实现接近量子基态的冷却（平均声子数 n≈0.5）。 在此基础上，团队成功演示了 保真度高达97.8%的双量子比特纠缠门 ，充分证明了该技术在构建大规模、高性能量子计算机方面的巨大潜力。

研究背景：离子阱技术的“两难困境”

离子阱是当前最有前途的量子计算物理实现方案之一。然而，传统技术路线面临着一个难以调和的矛盾：

● 宏观3D阱： 由手工组装或精密机加工而成，这类离子阱具有深势阱、优良的谐波性以及远离电极表面的优势，因此离子囚禁稳固、加热率低，量子比特操控性能优异。但其结构庞大、制造复杂、难以微型化和集成，无法满足构建大规模量子计算机所需的数千甚至数百万量子比特的扩展要求。
● 表面电极阱（2D阱）： 采用半导体行业成熟的光刻工艺制造，这类阱可以像芯片一样大规模生产，具有极佳的可扩展性和集成度。然而，其代价是性能上的妥协。由于结构是平面的，其势阱通常较浅，电场非谐波性更强，且离子离电极表面更近，导致离子更容易受到表面噪声影响而加热，量子操作保真度受到限制。

如何将3D陷阱的优越性能与2D陷阱的可扩展性结合起来，是该领域亟待突破的关键。

技术突破：双光子聚合3D打印

本研究的核心创新在于将双光子聚合3D打印技术引入离子阱制造。其具体流程如下：

● 结构设计： 在计算机辅助设计（CAD）软件中设计出具有最优电极几何构型的三维结构。
● 聚合物支架打印： 在一个带有预制金属电极的基底（如蓝宝石）上，使用2PP技术精确地打印出微米级的聚合物（电介质）支架。
● 金属镀膜： 通过溅射等方式，在聚合物支架表面均匀地覆盖一层导电金属（如金/钯合金），从而形成功能性的3D微电极。

这种方法的革命性在于：

● 无与伦比的设计自由度： 研究人员可以突破传统光刻工艺的层状限制，自由设计任意复杂的3D几何形状，以优化电场分布，从而提升陷阱性能。
● 极快的迭代周期： 从完成设计到制造出可供测试的器件， 整个周期可缩短至一到两天 ，极大地加速了研发和优化进程。
● 卓越的制造精度和可重复性：该技术制造的陷阱阵列在平面内和平面外方向的 尺寸偏差仅为2.2%，表面粗糙度低至6.5纳米 ，完全满足大规模量子计算设备对一致性的苛刻要求。

实验验证：卓越的性能指标

研究团队以⁴⁰Ca⁺离子作为量子比特，对3D打印的微型陷阱进行了一系列严格测试，获得了令人瞩目的结果：

● 强大的囚禁能力： 实验中实现了2 MHz至24 MHz的径向陷阱频率，比同尺寸的表面陷阱高出一个数量级。这意味着离子被“固定”得更牢固，为后续的快速量子操作奠定了基础。陷阱深度经测量高达1.3 eV，远超表面陷阱通常的几十到几百毫电子伏，极大提升了对离子的束缚能力。
● 简化的冷却与高保真度量子门： 得益于超高的陷阱频率，系统进入了“可分辨边带区域”（resolved-sideband regime）。这使得研究人员仅用简单的多普勒冷却，就能将离子的运动冷却到接近量子基态（平均声子数n≈0.5）。在此条件下， 单量子比特门的错误率低于10⁻⁴，而关键的双量子比特Mølmer–Sørensen纠缠门的保真度达到了0.978 ± 0.012 。这一成就在无需复杂边带冷却的情况下取得，意义重大。
● 显著降低的功耗与加热率： 在产生相同囚禁强度的条件下，3D打印陷阱所需的射频电压比同类表面陷阱低约一个数量级。这不仅降低了系统功耗，也大大减轻了大规模阵列中的散热压力。同时，由于离子距离电极表面更远（本研究中为120微米），测得的离子加热率也保持在较低水平（在5.5 MHz陷阱频率下约为每秒20个声子），有利于维持量子相干性。

未来展望

这项技术突破为量子信息科学及相关领域开辟了广阔的应用前景：

● 可扩展量子计算： 该技术是实现“量子电荷耦合器件”（QCCD）架构的理想选择。QCCD架构通过在不同功能区之间快速穿梭离子来实现计算，而3D打印陷阱的深势阱和强囚禁能力将使离子的分离、合并与穿梭操作更快、更可靠。
● 精密测量与传感： 其高性能和微型化特性，使其非常适合用于开发便携式、低功耗的片上质谱仪、高精度光钟以及量子传感器。
● 基础物理研究： 灵活的陷阱设计能力也为研究新颖的物理现象提供了强大的实验平台。

研究团队相信，将这项3D打印技术与集成光子学、低温CMOS控制等其他先进平台相结合，能够构建出真正实用化的大规模量子信息处理系统，从而加速整个科技前沿的探索步伐。