瑞士苏黎世联邦理工学院的研究团队开发了一种新型离子阱，与传统依靠振荡电磁场的方法不同，该离子阱利用静态电场和磁场来捕获离子，并能在其中进行量子相干操纵。使用静态电场和磁场的潘宁（Penning）离子阱不仅能实现离子在芯片上任意方向的运输，还允许在保持量子力学叠加态的同时控制离子的量子能级。该研究开辟了离子阱设计的新可能，有望使得未来的离子阱量子计算机能够包含的量子比特数目超过当前约30量子比特的记录，还可能用于探测表面性质的量子传感器。该成果于3月13日发表在《自然》杂志上。
© Nature 研究论文以《用于量子计算的微型潘宁阱(Penning micro-trap for quantum computing)》为题发表于《自然》杂志。
原子中电子的能态遵循量子力学定律：它们并不是连续分布的，而是局限于某些特定的值。这些量子化的能态是量子比特的基础，科学家们希望利用量子比特构建功能极其强大的量子计算机。为了达到这个目的，原子必须被冷却并被囚禁在一个地方。
强效的囚禁可以通过电离原子来实现，也就是给原子一个电荷。然而，电磁学的一个基本定律指出，在时间上恒定的电场不能囚禁单个带电粒子。因此，传统方法上通过增加一个振荡的电磁场，可以得到一个稳定的离子阱，其被称为保罗阱(Paul trap)。通过上述方式，近年来已经可制造出含有大约30个量子比特的离子阱量子计算机。然而，更大的量子计算机无法用这种技术直接实现。振荡场使得在单个芯片上组合多个这样的离子阱变得困难，并且使用振荡场会加热离子阱。随着系统规模扩大，后者是一个更为显著的问题。同时，离子只能沿直线路径移动，并且在达到路径的交汇点时才能转向其他方向，限制了离子在二维平面上的自由移动，降低了系统的灵活性，也对大规模量子计算的扩展构成挑战。
苏黎世联邦理工学院研究团队的实验装置。离子阱芯片位于银色圆顶下方的容器内。图片来源: ETH Zurich / Pavel Hrmo
研究团队现在验证了，适用于量子计算机的离子阱也可以使用静态磁场而非振荡磁场来构建。这些带有额外磁场的静态离子阱也被称为潘宁阱(Penning trap)，研究团队在其中展示了离子任意输运和极长的运动态相干时间，为未来构建量子计算机奠定基础。
潘宁阱需要非常强的磁场，其不仅昂贵而且相当笨重。此外，之前所有实现的潘宁阱都是高度对称的，研究团队所使用的芯片尺度架构则突破了这一点。在一个强磁场里进行实验会使引导控制量子比特所需的激光束进入离子阱中变得困难，而强磁场也会增加量子比特能级的间距。这反过来又需要多个锁相激光器，使得控制激光系统变得更加复杂。
研究团队为了克服这些困难，制造了一个基于超导磁体和带有多个电极的微加工芯片的潘宁阱。他们所使用的磁铁产生的磁场为3特斯拉，几乎是地球磁场的10万倍。研究团队利用一个低温冷却的反射镜系统，成功地将激光通过磁铁引导到离子上。
研究团队所使用的潘宁阱的中间部分示意图。离子（红色）被磁场与不同电极（黄色）产生电场的组合所囚禁。
图片来源: ETH Zürich / Institute for Quantum Electronics
这些努力得到了回报：单个囚禁离子可以在阱中停留数天，并可以通过控制不同的电极而在芯片上任意移动——这在之前基于振荡场的旧方法中是不可能的。由于不再需要振荡场来囚禁离子，许多阱可以被封装到单个芯片上。
研究人员还可以在保持量子叠加的同时控制囚禁离子的量子比特能态。相干控制既适用于离子的电子态（内态）与量子化的振荡能级（外态），也适用于内态和外态的耦合。后者是创建纠缠态的先决条件，对量子计算机尤为重要。
下一步，研究团队希望在单一芯片上相邻的潘宁阱中囚禁两个离子，从而证明该方法也可以执行多个量子比特的量子操作。这将是量子计算机可由潘宁阱中的离子来实现的决定性证据。研究团队还想到了其他的应用。例如，由于新型阱中的离子可以灵活移动，它们可以用来探测表面附近的电场、磁场或微波场，为将这些系统用作表面性质的原子传感器开辟了可能性。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07111-x
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