蘇黎世聯邦理工大學的研究人員利用靜態電場和磁場成功地捕獲了離子，並用其進行了量子運算。未來，這種捕獲器可用於實現量子計算機，其量子比特的數量將遠遠超過目前所能實現的量子位元數量。

• 在離子阱中使用振盪電磁場限制了量子電腦目前可實現的量子位元數量。
• 現在，蘇黎世聯邦理工大學的研究人員在一個微加工晶片上製造出了一個離子阱，只使用靜態場–電場和磁場–就能在其中進行量子運算。
• 在這種阱中，離子可以向任意方向傳輸，一個晶片上可以安裝多個這樣的阱。

ETH 研究人員的實驗裝置。阱晶片位於銀色穹頂下方的容器內，其中的透鏡可以捕捉到被困離子發出的光。圖片來源：蘇黎世蘇黎世聯邦理工大學/ Pavel Hrmo

原子中電子的能量狀態遵循量子力學定律：它們不是連續分佈的，而是被限制在某些定義明確的值中–這也被稱為量子化。這種量子化狀態是量子位元（qubit）的基礎，科學家希望用它來製造極其強大的量子電腦。為此，原子必須冷卻並被困在一個地方。

強捕獲可以透過電離原子來實現，也就是給原子帶上電荷。然而，電磁學的一個基本定律指出，時間恆定的電場無法捕​​捉單一帶電粒子。另一方面，加入一個振盪電磁場，就可以得到一個穩定的離子阱，也稱為保羅阱。

透過這種方法，近年來已經可以用離子阱製造出包含約30 個量子位元的量子電腦。然而，這種技術無法直接實現更大的量子電腦。振盪場使得很難在單一晶片上組合多個這樣的阱，而且使用振盪場會使阱發熱–系統越大，問題越嚴重。同時，離子的傳輸僅限於沿著交叉連接的線性部分通過。

在二維平面上移動單一受困離子並用雷射光束照射，研究人員就能製作出ETH 的標誌。影像是透過多次重複傳輸序列的平均值形成的。資料來源：蘇黎世蘇黎世聯邦理工大學/量子電子研究所

帶磁場的離子阱

由喬納森-霍姆（Jonathan Home）領導的蘇黎世蘇黎世聯邦理工大學研究小組現已證明，適合量子電腦使用的離子阱也可以使用靜態磁場而不是振盪磁場來建造。在這些有額外磁場的靜態阱（稱為潘寧阱）中，未來超級電腦的任意傳輸和必要操作都得以實現。研究人員最近在科學期刊《自然》上發表了他們的研究成果。

博士生Shreyans Jain 說：「傳統上，當人們想要捕獲非常多的離子進行精密實驗時，就會使用潘寧陷阱，但無需對它們進行單獨控制，相比之下，在基於離子的小型量子在計算機中，則使用保羅陷阱。”

蘇黎世聯邦理工大學的研究人員提出的利用潘寧陷阱製造未來量子電腦的想法最初遭到了同事們的質疑。原因有很多：潘寧陷阱需要極強的磁鐵，而磁鐵非常昂貴且體積龐大。此外，先前實現的潘寧陷阱都非常對稱，而ETH 使用的晶片級結構違反了這一點。將實驗置於大型磁鐵中，很難引導控制量子位元所需的雷射光束進入陷阱，而強磁場會增加量子位元能態之間的間距。這反過來又使控制雷射系統變得更加複雜：不再需要一個簡單的二極體雷射器，而是需要幾個鎖相雷射。

使用過的潘寧阱中間部分示意圖。透過不同電極（黃色）產生的電場和磁場的組合，離子（紅色）被捕獲。資料來源：蘇黎世蘇黎世聯邦理工大學/量子電子學研究所

任意方向的傳輸

然而，霍姆和他的合作者們並沒有被這些困難嚇倒，他們在布倫瑞克物理技術蘇黎世聯邦理工大學（Physikalisch-Technische Bundesanstalt in Braunschweig）製造的超導磁鐵和帶有多個電極的微加工晶片的基礎上，建造了一個潘寧陷阱。使用的磁鐵能提供3 特斯拉的磁場，比地球磁場強近10 萬倍。蘇黎世的研究人員利用低溫冷卻鏡系統，成功地將必要的雷射穿過磁鐵照射到離子上。

它們的努力終於有了回報：一個被捕獲的離子可以在捕獲器中停留數天，現在可以在晶片上任意移動，通過控制不同的電極”如飛”連接各點–這是以前基於振盪場的舊方法無法實現的。由於誘捕不需要振盪場，因此可以在一塊晶片上安裝許多誘捕器。作為博士生參與實驗的托比亞斯-賽格瑟（Tobias Sägesser）說：”一旦充好電，我們甚至可以將電極與外界完全隔離，從而研究離子受外界影響的干擾程度。”

質子的相干控制

研究人員也證明，在維持量子力學疊加的同時，還能控制被困離子的量子位元能態。相干控制既適用於離子的電子（內部）狀態和（外部）量子化振盪狀態，也適用於內部和外部量子態的耦合。後者是產生糾纏態的先決條件，而糾纏態對量子電腦非常重要。

下一步，霍姆希望在同一晶片上的相鄰潘寧陷阱中捕獲兩個離子，從而證明也可以進行多個量子位元的量子操作。這將是利用潘寧陷阱中的離子來實現量子電腦的最終證明。教授也考慮了其他應用。例如，由於新陷阱中的離子可以靈活移動，它們可以用來探測表面附近的電場、磁場或微波場。這就為利用這些系統作為表面特性的原子感測器提供了可能性。

編譯自: ScitechDaily