ETH研究人员利用静态电场和磁场成功捕获离子 并用其进行量子运算

  苏黎世联邦理工大学的研究人员利用静态电场和磁场成功地捕获了离子，并用其进行了量子运算。未来，这种捕获器可用于实现量子计算机，其量子比特的数量将远超于目前所能实现的量子比特数量。

  现在，苏黎世联邦理工大学的研究人员在一个微加工芯片上制造出了一个离子阱，只使用静态场--电场和磁场--就能在其中进行量子运算。

  ETH 研究人员的实验装置。阱芯片位于银色穹顶下方的容器内，其中的透镜可以捕捉到被困离子发出的光。图片来自：苏黎世苏黎世联邦理工大学 / Pavel Hrmo

  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，而是被限制在某些定义明确的值中--这也被称为量子化。这种量子化状态是量子比特（qubit）的基础，科学家们希望用它来制造极其强大的量子计算机。为此，原子必须冷却并被困在一个地方。

  强捕获能够最终靠电离原子来实现，也就是给原子带上电荷。然而，电磁学的一个基本定律指出，时间恒定的电场无法捕获单个带电粒子。另一方面，通过加入一个振荡电磁场，就能够获得一个稳定的离子阱，也称为保罗阱。

  通过这种方法，近年来已能用离子阱制造出包含约 30 个量子比特的量子计算机。然而，这种技术没办法直接实现更大的量子计算机。振荡场使得很难在单个芯片上组合多个这样的阱，而且使用振荡场会使阱发热--系统越大，问题越严重。同时，离子的传输仅限于沿着交叉连接的线性部分通过。

  在二维平面上移动单个受困离子并用激光束照射，研究人员就能制作出 ETH 的标志。图像是通过多次重复传输序列的平均值形成的。资料来源：苏黎世苏黎世联邦理工大学/量子电子研究所

  由乔纳森-霍姆（Jonathan Home）领导的苏黎世苏黎世联邦理工大学研究小组现已证明，适合量子计算机使用的离子阱也能够正常的使用静态磁场而不是振荡磁场来构建。在这些带有额外磁场的静态阱（称为潘宁阱）中，未来超级计算机的任意传输和必要操作都得以实现。研究人员最近在科学杂志《自然》上发表了他们的研究成果。

  博士生 Shreyans Jain 说：传统上，当人们想要俘获非常多的离子进行精密实验时，就会使用潘宁陷阱，但无需对它们进行单独控制，相比之下，在基于离子的小型量子计算机中，则使用保罗陷阱。

  苏黎世联邦理工大学的研究人员提出的利用潘宁陷阱制造未来量子计算机的想法最初遭到了同事们的质疑。原因有很多：潘宁陷阱需要极强的磁铁，而磁铁非常昂贵且体积非常庞大。此外，以前实现的潘宁陷阱都非常对称，而 ETH 使用的芯片级结构却违反了这一点。将实验置于大型磁铁中，很难引导控制量子比特所需的激光束进入陷阱，而强磁场会增加量子比特能态之间的间距。这反过来又使控制激光系统变得更复杂：不再需要一个简单的二极管激光器，而是需要几个锁相激光器。

  使用过的潘宁阱中间部分示意图。通过不同电极（黄色）产生的电场和磁场的组合，离子（红色）被俘获。资料来源：苏黎世苏黎世联邦理工大学/量子电子学研究所

  然而，霍姆和他的合作者们并没有被这些困难吓倒，他们在布伦瑞克物理技术苏黎世联邦理工大学（Physikalisch-Technische Bundesanstalt in Braunschweig）制造的超导磁体和带有多个电极的微加工芯片的基础上，建造了一个潘宁陷阱。使用的磁铁能提供 3 特斯拉的磁场，比地球磁场强近 10 万倍。苏黎世的研究人员利用低温冷却镜系统，成功地将必要的激光穿过磁铁照射到离子上。

  它们的努力终于有了回报：一个被捕获的离子可以在捕获器中停留数天，现在可以在芯片上任意移动，经过控制不同的电极如飞连接各点--这是以前基于振荡场的旧方法没办法实现的。由于诱捕不需要振荡场，因此能在一块芯片上安装许多诱捕器。作为博士生参与实验的托比亚斯-赛格瑟（Tobias Sägesser）说：一旦充好电，我们还可以将电极与外界完全隔离，从而研究离子受外界影响的干扰程度。

  研究人员还证明，在保持量子力学叠加的同时，还能控制被困离子的量子比特能态。相干控制既适用于离子的电子（内部）状态和（外部）量子化振荡状态，也适用于内部和外部量子态的耦合。后者是产生纠缠态的先决条件，而纠缠态对量子计算机非常重要。

  下一步，霍姆希望在同一芯片上的相邻潘宁陷阱中俘获两个离子，从而证明也能够直接进行多个量子比特的量子操作。这将是利用潘宁陷阱中的离子实现量子计算机的最终证明。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，它们能用来探测表面附近的电场、磁场或微波场。这就为利用这些系统作为表面特性的原子传感器提供了可能性。