ETH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，控制激光直接在芯片内传输。这将使基于被俘获原子的大规模量子计算机成为可能。

在演示过程中，用激光笔在屏幕上打一个特定的点并不容易，即使是最轻微的紧张的握手也会在远处变成一个大的涂鸦。现在想象一下一次要用几个激光指针来做这个。这正是物理学家们所面临的问题，他们试图利用单个被囚禁的原子来建造量子计算机。它们也需要在同一个仪器中精确地瞄准数百甚至数千束激光束，精确到只有几微米大小的包含原子的区域。任何不需要的振动都会严重干扰量子计算机的运行。

在苏黎世的ETH，Jonathan Home和他在量子电子学研究所的同事们现在已经演示了一种新方法，这种方法允许他们以稳定的方式将多束激光精确地从芯片内传送到正确的位置，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们雄心勃勃的目标。电场中的带电原子离子被证明是量子比特或量子比特的理想候选者，量子计算机使用它们进行计算。到目前为止，可以用这种方法实现包含大约12个量子比特的微型计算机。”然而，如果你想制造几千个量子比特的量子计算机，那么目前还存在一些障碍，”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，问题是如何将激光束从激光器射入真空装置，并最终击中低温恒温器内的靶心，在低温恒温器中，离子阱被冷却到绝对零度以上几度，以尽量减少热干扰。

作为障碍物的光学装置

Mehta解释说：“在目前的小规模系统中，传统光学系统是噪声和误差的重要来源，当试图扩大规模时，这就变得更加难以管理。”量子比特越多，控制量子比特所需的激光束光学系统就越复杂。”在我们的学生小组里，我们可以直接把这些离子集成到我们的电极中。这样，低温恒温器或仪器其他部件的振动产生的干扰就小得多。”

研究人员委托一家商业制造厂生产芯片，芯片中既有用于离子阱的金电极，也有更深层的激光波导。在芯片的一端，光纤将光送入只有100纳米厚的波导管，在芯片内有效地形成了光纤线路。每一个波导都指向芯片上的一个特定点，在那里光线最终会偏向表面上被捕获的离子。

几年前的研究（本研究的一些作者，以及麻省理工学院和麻省理工学院林肯实验室的研究人员）已经证明了这种方法在原则上是可行的。现在ETH小组已经开发和改进了这项技术，使得它也可以用于实现不同原子之间的低误差量子逻辑门，这是建造量子计算机的重要先决条件。

高保真逻辑门

在传统的计算机芯片中，逻辑门用于执行逻辑运算，如AND或NOR。为了建造量子计算机，我们必须确保它能够在量子比特上进行这样的逻辑运算。问题是作用在两个或更多量子位上的逻辑门对干扰特别敏感。这是因为它们产生了脆弱的量子力学态，其中两个离子同时处于叠加状态，也被称为纠缠态。

在这种叠加中，一个离子的测量影响另一个离子的测量结果，而两个离子没有直接接触。这些叠加态的产生有多好，逻辑门有多好，都用所谓的保真度来表示。”有了新芯片，我们能够实现两个量子位逻辑门，并用它们产生纠缠态，直到现在，这种保真度只有在最优秀的传统实验中才能实现，”作为博士生的Maciej Malinowski说。

研究人员因此表明，他们的方法对未来的离子阱量子计算机很有创意，因为它不仅非常稳定，而且可以扩展。他们目前正在使用不同的芯片，这些芯片一次最多可以控制10个量子比特。此外，他们正在寻求新的设计，使快速和精确的量子操作成为可能。

参考文献：Karan K. Mehta et al. Integrated optical multi-ion quantum logic, Nature (2020). DOI: 10.1038/s41586-020-2823-6。