照亮未来的离子阱量子计算机

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#111723#比年来，量子盘算开展突飞大进，曾经成为新一轮科技反动和工业变更的前沿范畴。不管是学术界、工业界仍是当局，全天下诸多国度都曾经意识到量子盘算对新一轮科技反动和工业开展的主要意思，并投入了浩繁资本来推进这一范畴的开展。现在国际上实现量子盘算的主流门路有多个，包含超导量子盘算、半导体量子盘算、离子阱量子盘算、原子量子盘算、核自旋量子盘算和拓扑量子盘算等等。  在这浩繁实现门路傍边，离子阱量子盘算以其长相关时光和高盘算精度成为实现高牢靠性量子信息处置器和高精度光学离子钟的无力候选计划。  然而这一方式现在开展面对的最大瓶颈是其集成上存在很浩劫度，体系难以扩大。 在离子阱量籽实验室的试验台上常常摆满了种种反射镜和透镜，用来将激光聚焦从而使离子陷俘到某个地位上。虽然通过应用激光来把持离子阱，迷信家们曾经学会了怎样应用离子阱来制造量子盘算机的基础数据单位--量子比特（量子位）。
但是这类基于传统多少光路的激光安装当初却正在连累这个范畴的开展，由于这类基于传统多少光路的方式在试验上很难同时实现多个离子的陷俘和把持，同时这些试验安装体积较大、易受扰动，很难集成从而走出试验室，走向适用化、工程化。  近期，来自美国麻省理工学院林肯试验室Lincoln Laboratory的研讨职员初次通过应用集成波导、光栅耦合器和名义电极实现了离子阱量子光路的集成。  这一主要冲破以Integrated multi-wavelength control of an ion qubit为题宣布在Nature。  在该论文中，研讨职员展现了一种光纤光学模块，这类模块能够集成到离子阱芯片上，从而将光耦合到刻蚀在芯片上的光波导中。通过这些光波导，差别波长的光能够在芯片上导波终究被领导到芯片上离子阱的地位，从而实现量子盘算。最主要的是，这类方式实现了离子阱量子芯片的集成化和可扩大化，为离子阱量子盘算走出试验室、走向进一步的大范围工业利用摊平了途径。
多频率激光集成
基于离子阱停止盘算须要对每个离子停止精细而且各自自力的把持。当在短间隔的一维链上把持几个离子的时间，自在空间多少光路能够做的很好；然而假如要在一个很大的二维的阵列中只转变一个离子的状况而不影响其余离子，传统的多少光路实现起来十分艰苦。斟酌到现实的量子盘算机常常须要数以千计的量子位，这类传统多少光路把持的方式难以实现。  这个瓶颈促使研讨职员去寻觅其余可能的方式。在2016年，林肯试验室和MIT的研讨职员展现了一种新型集成光学芯片。他们将一束白色激光聚焦到光学集成芯片上，芯片上的波导将光领导到一个光栅耦合器中，光栅耦合器能够起到光学减震带的感化，将光结束上去同时把光领导到离子的地位处。红光是履行量子盘算基础操纵量子门的要害，该研讨团队在演示中展现了基于红光的量子门操纵。 然而要履行全体量子盘算，须要六种差别色彩的激光：制备离子、将其冷却、读取它的每个能量状况、和履行量子门。有了如许一个最新的芯片，该团队曾经将他们的观点验证推行到了余下几种从紫外到红外的波长。

图1. 这个动画演示了芯片中的光栅耦合器通过收回四种波长的激光来实现对离子阱的操控和丈量。动画中的黄色名义是芯片顶部的金属电极层。图源：麻省理工学院，林肯试验室  论文的别的一名作者John Chiaverini 表现，“基于这些波长，咱们能够履行离子阱全部基础操纵” 。他们未能展现的一项操纵——双量子比特门——被来自ETH的一个团队验证。ETH的团队应用的是相似于他们2016年任务的芯片，也在这一期Nature上被报导。Chiaverini弥补道，“他们（ETH）的任务和咱们的联合在一同向人们证实了这类方式能够用来制备大范围的离子阱阵列。”
光纤光学
为了可能从一个波长晋升到多个波长，该团队计划了一种方式能够将光纤光学模块直接制备在芯片上。这个模块有四个光学光纤构成，每个光纤对应于一个特定的波长范畴。这些光纤与芯片上刻蚀的差别波导构造分辨耦合在一同。  论文的第一作者，同时也是文章中试验部份的重要实现者Robert Niffenegger表现，“将光纤模块耦合到芯片上的波导构造，同时涂覆环氧树脂感到就像咱们是在停止外科手术。这是一个十分精细的任务，咱们这个离子阱量子芯片加工的可接收偏差范畴只有0.5微米，而且要保障这个芯片在4K(-269℃)的高温下可能畸形任务。”

图2. 应用单模波导和光栅耦合器来领导光束聚焦。 图源：Nature 586, 538–542(2020) Extended Data Fig. 1  研讨职员在波导的名义笼罩了一层玻璃，玻璃的下面是金属电极，这些金属电极能够将离子坚持在准确的地位上。金属电极上充满了孔，从而能够在光栅耦合器准确的地位大将光辐射出去。  由于波长越小，消耗常常越大，以是要让光以低消耗通报给离子，同时防止介质的接收或散射是一个很大的挑衅。  参加试验的Sage说，“这是一个开辟资料、绘制波导图形、测试样品、丈量机能，而后再实验的进程。咱们还必需确保波导资料的任务不但与所需的光波长分歧，同时不会烦扰捕获离子的金属电极。”
可扩大性和便携性
对于这类芯片的利用远景，论文作者之一Niffenegger表现，“将来咱们能够将这些芯片组分解为阵列来集成更多的离子阱，使得每个离子阱都能够被准确把持，从而为更强盛的量子盘算机翻开大门。”  来自美国国度尺度和技巧研讨所的物理学家Daniel Slichter对这一主要冲破批评道，“这类可扩大的技巧将使具有很多激光的庞杂体系实现并行操纵，同时对于振动和情况前提存在很强的抗烦扰才能，这是对于实现具有成千上万离子阱的量子处置器相当主要。” 这类光学集成芯片的长处是它的强盛抗烦扰才能。对于试验台上的激光器，任何振动都有可能使得离子阱的操控呈现毛病。而当激光束和芯片耦合在一同，振动的影响便可以无效地打消。 这类抗烦扰才能对于进步离子阱的“相关性”，或许延伸量子位的盘算时光十分主要，同时也能极大进步离子阱传感器的便携性。比方，基于离子阱的原子钟能够比当初的尺度更准确地计时，还能够进步依托卫星上原子钟同步的寰球定位体系(GPS)的精度。
论文作者之一Sage表现，“咱们将这项任务视为衔接迷信与工程的胜利典范，由于这一冲破对于学术界和工业界都有很大的推进感化。咱们须要让量子技巧变得鲁棒和便携，同时也要让非量子物理配景的职员易于应用它”。同时，该团队盼望这个平台能够辅助推进学术研讨。  论文别的一名作者Chiaverini表现，“咱们盼望有更多的研讨机构应用这个平台，如许他们便可以专一于其余的挑衅——比方，在这个平台上编程和运转基于离子阱的量子算法，从而进一步翻开摸索量子物理的大门”。 文章信息Niffenegger, R.J., Stuart, J., Sorace-Agaskar, C. et al. Integrated multi-wavelength control of an ion qubit. Nature586, 538–542 (2020). 论文地点https://doi.org/10.1038/s41586-020-2811-x
原文题目：照亮将来：离子阱量子盘算机
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