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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!


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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。

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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。

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▲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。


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▲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。

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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
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