揭秘！離子阱：量子江湖的“黑馬”

出品：科普中國

作者：欒春陽（清華大學(xué)物理系博士）

監(jiān)制：中國科普博覽

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近期，離子阱量子計算領(lǐng)域又雙叒爆出大新聞啦！國際頂尖期刊《自然》上發(fā)表了一篇論文，被審稿人盛贊為量子模擬計算領(lǐng)域的“巨大進步”和“值得關(guān)注的里程碑”。

國際上最大規(guī)模的基于離子二維陣列的量子模擬計算

（圖片來源：參考文獻[1]）

這是來自清華大學(xué)交叉信息研究院的段路明院士研究團隊做的研究，他們在國際上首次實現(xiàn)了高達512個離子二維陣列的穩(wěn)定囚禁和邊帶冷卻，同時采用300個離子量子比特實現(xiàn)了可調(diào)耦合的長程橫場伊辛模型（Ising model）的量子模擬計算。

這項研究工作突破了原先的多離子量子模擬計算的最高比特數(shù)目（61個離子量子比特），創(chuàng)下了國際上最大規(guī)模的基于離子二維陣列的量子模擬計算。

那么，到底什么是離子阱量子計算系統(tǒng)呢？這項研究工作又為何會受到如此廣泛的關(guān)注呢？

離子阱——能夠囚禁離子的“魔法陷阱”

對于“離子阱”這一概念，相信很多人是第一次聽到，從字面意義上看，它可以被形象地理解為“離子+陷阱”。實際上，這也正是它最核心的兩個要素。其實你可以簡單地理解為“能夠俘獲和囚禁離子的魔法陷阱”，這是離子阱量子系統(tǒng)的核心功能。

那我們?yōu)槭裁匆艚x子呢？離子阱又和我們經(jīng)常聽到的量子計算有什么關(guān)系呢？

首先，離子其實就是帶電荷的原子，其內(nèi)部存在天然穩(wěn)定的能級結(jié)構(gòu)。我們可以從離子的內(nèi)部選取兩個特定的能級，從而編碼成為性能穩(wěn)定的二能級系統(tǒng)（也就是量子比特）。

其次，對于單個囚禁離子中的二能級系統(tǒng)而言，我們可以將其中能量較高的狀態(tài)編碼成為/1?態(tài)，而將能量較低的狀態(tài)編碼成為/0?態(tài)。與此同時，由于離子內(nèi)部能級之間的躍遷遵循量子力學(xué)中的概率性原理，因此單個離子的能量狀態(tài)可以處于/1?態(tài)和/0?態(tài)的疊加，從而作為離子量子比特參與到量子計算機的并行運算中。

離子量子比特的探測以及內(nèi)部的能態(tài)操縱

（圖片來源：參考文獻[2]）

換句話說，如果我們在離子阱系統(tǒng)中能夠穩(wěn)定囚禁N個離子，理論上就可以編碼成為N個獨立的離子量子比特。隨后，在特定的激光光場以及微波場的驅(qū)動下，這些離子量子比特便可以進行2的N次方的并行量子運算，從而展現(xiàn)出超強的并行運算能力。

談到量子計算系統(tǒng)，可能各位讀者首先想到的是前段時期特別火熱的“超導(dǎo)量子計算系統(tǒng)”。其實早在1995年，兩位物理學(xué)家Ignatio Cirac（伊格納西奧·西拉克）和Peter Zoller（彼得·佐勒）就首次提出可以利用穩(wěn)定囚禁的離子來實現(xiàn)量子邏輯門的操作，用以構(gòu)建真實的量子計算系統(tǒng)。

近30年過去了，離子阱量子系統(tǒng)不斷發(fā)展并且逐步成熟，已經(jīng)成為現(xiàn)今主流的量子計算體系之一。

1995年，離子阱量子計算方案就首次被提出

（圖片來源：參考文獻[3]）

離子阱量子計算系統(tǒng)的困境——有限的離子數(shù)目

既然離子阱量子計算系統(tǒng)的起步這么早，性能又十分優(yōu)異，離子阱量子計算在此之前的研究熱度為何比不上超導(dǎo)量子計算呢？

這是因為離子阱量子計算方案始終面臨一個難以解決的大麻煩，那就是單個離子阱系統(tǒng)中能夠進行穩(wěn)定囚禁的離子數(shù)目太少了。

主流的保羅型（Paul）離子阱，其中的離子會同時受到兩種作用力而處于動態(tài)平衡狀態(tài)，其中一種是“束縛電場力”，就是通過人為施加“射頻+直流”的復(fù)合電場來束縛離子的運動；另外一種是“庫侖作用力”，這是存在于帶電離子之間內(nèi)部的互斥相互作用力，并且遵循基本的庫侖定律。

受到“射頻+直流”的復(fù)合電場而處于束縛狀態(tài)的離子示意圖，軸向的黃色箭頭代表直流電場，交變的綠色箭頭代表交流電場

（圖片來源：作者繪制）

在外界束縛電場力和內(nèi)部庫倫作用力的共同作用下，多個離子會沿著離子阱的軸線方向自發(fā)排列成間距為幾個微米的一維離子鏈，也被稱為“離子一維構(gòu)型”。

在實驗中，為了精確地操縱各個離子的量子態(tài)，還需要利用聚焦的激光光束對各個離子進行單獨的激光尋址操作。在此之前，量子物理學(xué)家們利用這種方法，分別在53個離子和61個離子的一維構(gòu)型上實現(xiàn)了高精度的量子比特操控。

囚禁在離子阱系統(tǒng)中的離子量子比特（25個171Yb+離子構(gòu)成的一維離子鏈）

（圖片來源：作者搭建的離子阱平臺實物圖）

然而，這種“離子一維構(gòu)型”所能容納的離子數(shù)目極其有限，并不能滿足離子阱量子計算的大規(guī)模需求。

如果只是一味地將更多的離子保持在一維離子鏈的狀態(tài)，就需要將外界的束縛電場力和內(nèi)部的庫侖作用力再次平衡，從而不得不降低離子阱沿著軸線方向的束縛電場力強度。但是，這又會導(dǎo)致離子鏈的軸向運動，更加容易受到外界電磁噪聲的影響，最終又限制了所能穩(wěn)定囚禁的離子數(shù)目。

通常而言，室溫狀態(tài)下的單個離子阱只能穩(wěn)定地囚禁幾十個離子的一維構(gòu)型。就算提高離子阱的真空度，進一步降低系統(tǒng)的環(huán)境溫度，目前最多也只能穩(wěn)定囚禁100—200個離子的一維離子鏈。也就是說，一維離子鏈所能容納的離子數(shù)目，遠遠達不到未來的通用量子計算機所需的量子比特規(guī)模。

那么，在同一個離子阱系統(tǒng)中，如何才能穩(wěn)定地囚禁更多的離子呢？

穩(wěn)定囚禁更多離子的關(guān)鍵——擴展成二維結(jié)構(gòu)，再低溫保存

其實，要想進一步拓展單個離子阱中的離子比特數(shù)目，理論上并不是很難。這是因為，只需將原先的“離子一維構(gòu)型”升級成為“二維離子陣列”，就可以極大地提高離子阱的擴展性。

然而，要想在實驗上實現(xiàn)大規(guī)模的二維離子陣列的穩(wěn)定囚禁，卻是一件極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。而這次段路明院士研究團隊實現(xiàn)高達512個離子穩(wěn)定囚禁的關(guān)鍵，就是“二維離子陣列+低溫冷阱技術(shù)”。

首先，為了實現(xiàn)二維離子陣列，就需要對離子阱系統(tǒng)重新設(shè)置合適的“束縛電場力”強度，從而將原本的一維離子鏈擠壓成為二維空間中的離子構(gòu)型。為此，該研究團隊設(shè)計并優(yōu)化了特殊的電極結(jié)構(gòu)，并且采用一體化的加工方案制備出能夠穩(wěn)定囚禁二維離子陣列的離子阱系統(tǒng)。

采用一體化加工方案制備出的特殊電極結(jié)構(gòu)，紅色點陣即為二維離子陣列的示意圖

（圖片來源：參考文獻[1]）

與此同時，為了降低激光尋址操作時離子之間的相互干擾，該研究團隊進一步增加了離子之間的距離。如此一來，二維離子陣列中的各個離子都能夠被精確地操控，從而提高了整個離子阱量子計算系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

其次，為了維持二維離子陣列的長期穩(wěn)定性，還需要低溫冷阱技術(shù)來保證二維離子陣列處于超低溫狀態(tài)（-6.1K）。這是因為低溫環(huán)境能夠有效降低囚禁離子與背景氣體分子的碰撞概率，同時抑制離子本身異常的熱運動效應(yīng)。為此，該研究團隊將整個離子阱系統(tǒng)置于液氦環(huán)境中，從而顯著地提高了二維離子陣列的穩(wěn)定性。

高達512個離子二維陣列的穩(wěn)定囚禁（171Yb+離子）

（圖片來源：參考文獻[1]）

正是憑借著上述的兩個獨門秘訣，段路明院士研究團隊首次實現(xiàn)了高達512個離子二維陣列的穩(wěn)定囚禁，同時對其中的300個離子實現(xiàn)了單量子比特可分辨的量子態(tài)測量，創(chuàng)下了國際上最大規(guī)模的單量子比特可分辨的多離子量子模擬計算紀錄。

離子阱量子計算——實力強勁的“未來之星”

目前，離子阱量子計算系統(tǒng)分別創(chuàng)下了最高保真度的單量子比特門（99.9999%），最高保真度的雙量子比特門（99.94%），以及最長的單量子比特相干時間（5500s），已經(jīng)被國際學(xué)術(shù)界公認為最有希望實現(xiàn)大規(guī)模量子計算的物理系統(tǒng)之一。

而就在前不久的4月16日，來自Quantinuum的離子阱研究團隊也公布了最新的進展——它們研發(fā)的離子阱量子計算系統(tǒng)（型號：H1-1）的量子體積已超過一百萬（220=1048576）。這里的量子體積是衡量量子計算機算力性能的綜合性指標，量子體積越大，量子計算機可執(zhí)行的量子算法的規(guī)模與深度也就越大。

作為對比，《流浪地球2》電影中MOSS的量子體積也只有213，這意味著離子阱量子計算系統(tǒng)比MOSS的量子體積還大了128倍！

2024年，注定是量子計算領(lǐng)域不平凡的一年，讓我們共同期待離子阱量子計算更多閃亮的新進展吧！

參考文獻：

[1]Guo S A, Wu Y K, Ye J, et al. A site-resolved two-dimensional quantum simulator with hundreds of trapped ions[J]. Nature, 2024: 1-6.

[2]Blatt R, Wineland D. Entangled states of trapped atomic ions[J]. Nature, 2008, 453(7198): 1008-1015.

[3]Cirac J I, Zoller P. Quantum computations with cold trapped ions[J]. Physical review letters, 1995, 74(20): 4091.

[4]Li B W, Wu Y K, Mei Q X, et al. Probing critical behavior of long-range transverse-field Ising model through quantum Kibble-Zurek mechanism[J]. PRX Quantum, 2023, 4(1): 010302.

[5]Harty T P, Allcock D T C, Ballance C J, et al. High-fidelity preparation, gates, memory, and readout of a trapped-ion quantum bit[J]. Physical review letters, 2014, 113(22): 220501.

[6]Ballance C J, Harty T P, Linke N M, et al. High-fidelity quantum logic gates using trapped-ion hyperfine qubits[J]. Physical review letters, 2016, 117(6): 060504.

[7]Wang P, Luan C Y, Qiao M, et al. Single ion qubit with estimated coherence time exceeding one hour[J]. Nature communications, 2021, 12(1): 233.