10月26日消息，瑞士联邦理工学院的研究人员展示了一种对原子进行敏感量子操作的新技术。在这项技术中，控制激光被直接传送到芯片内部，这将使建立基于被困原子的大型量子计算机成为可能。这是一种基于被捕获的原子成本很高的量子计算机。

在演示过程中，用激光笔在屏幕上打出一个特定的点并不容易--即使是最微小的紧张的手抖也会在远处变成一个大的涂鸦。现在想象一下，要同时用几个激光笔来做这件事。这正是那些试图利用单个受困原子构建量子计算机的物理学家所面临的问题。他们也需要将激光束--数百甚至数千束激光束在同一台仪器中--精确地瞄准数米以上的距离，比如打到只有几微米大小的包含原子的区域。任何不必要的振动都会严重干扰量子计算机的运行。

在苏黎世联邦理工学院，Jonathan Home和他在量子电子学研究所的合作者们现在已经展示了一种新方法，使他们能够以如此稳定的方式从芯片内将多束激光精确地传送到正确的位置，甚至可以对原子进行最精细的量子操作。

    瞄准量子计算机  

三十多年来，建造量子计算机一直是物理学家的宏伟目标。带电的原子--离子--被困在电场中，被证明是量子计算机用于计算的量子比特或qubits的理想候选者。到目前为止，包含大约十几个qubits的迷你计算机可以通过这种方式实现。"然而，如果你想构建具有几千个qubits的量子计算机，这可能是实际相关应用所必需的，目前的实现存在一些重大障碍，"Home实验室的博士后、最近发表在科学杂志 "自然 "上的这项研究的第一作者Karan Mehta说。从本质上讲，问题在于如何将激光束从几米高的地方送入真空设备，并最终击中低温恒温器内的靶心，在低温恒温器中，离子阱被冷却到仅高于绝对零度的几度，以最大限度地减少热干扰。

    作为障碍物的光学设置  

Mehta解释说："在目前的小规模系统中，传统的光学器件是噪声和误差的重要来源，而当试图扩大规模时，这就更难管理了"。增加的量子数越多，激光束的光学元件就越复杂，这就需要控制量子数。"这就是我们的方法"，Home小组的博士生Chi Zhang补充道。"通过将微小的波导集成到包含用于捕获离子的电极的芯片中，我们可以将光直接发送到这些离子上。这样一来，低温恒温器或仪器其他部分的振动产生的干扰就会小得多。"

研究人员委托一家商业代工厂生产芯片，这些芯片既包含用于离子阱的金电极，也包含在更深层的激光光波导。在芯片的一端，光纤将光送入波导，波导的厚度只有100纳米，有效地在芯片内形成了光布线。这些波导中的每一条都通向芯片上的一个特定点，在那里，光最终会被偏转到表面的被困离子。

几年前的工作（由本研究的一些作者与麻省理工学院和麻省理工学院林肯实验室的研究人员共同完成）已经证明了这种方法在原则上是可行的。现在，ETH小组已经开发并完善了该技术，使其也可以用于实现不同原子之间的低误差量子逻辑门，这是构建量子计算机的重要前提条件。

    高保真逻辑门  

在传统的计算机芯片中，逻辑门是用来进行AND或NOR等逻辑运算的。要建立一台量子计算机，就必须确保它能在量子比特上进行这样的逻辑运算。这方面的问题是，作用于两个或多个夸比特的逻辑门对干扰特别敏感。这是因为它们会产生脆弱的量子力学状态，其中两个离子同时处于叠加状态，也就是所谓的纠缠状态。

在这样的叠加中，一个离子的测量会影响另一离子的测量结果，而这两个离子不会直接接触。 这些重叠状态的产生工作的良好程度，以及逻辑门的良好程度，由所谓的保真度表示。 “使用新芯片，我们能够执行两比特的逻辑门，并使用它们来产生纠缠态，其保真度只有到现在为止，只有在最好的常规实验中才能实现，” Maciej Malinowski说。 还以博士生的身份参与了该实验。

研究人员由此表明，他们的方法对于未来的离子阱量子计算机来说是很有意思的，因为它不仅非常稳定，而且还可以扩展。他们目前正在研究不同的芯片，打算一次控制多达10个量子比特。此外，他们还在追求新的设计，以实现快速和精确的量子操作，而这些设计是通过光布线实现的。