走进科学家们捕捉离子的量子实验室，你会发现满是镜子和透镜的台面，所有的激光都在聚焦，以击中 "被困 "在芯片上方的离子。通过使用激光来控制离子，科学家们已经学会了将离子作为量子比特，或者说qubits，量子计算机中数据的基本单位来利用。但是这种激光设置现在阻碍了研究的发展，使其很难用几个以上的离子进行实验，也很难将这些系统带出实验室进行实际使用。

现在，林肯实验室的研究人员已经开发出了一种紧凑的方式来将激光传递给被困的离子。在发表在《自然》杂志上的一篇论文中，研究人员描述了一种光纤块，它可以插入到离子阱芯片中，将光耦合到芯片本身制造的光波导中。通过这些波导，多种波长的光可以穿过芯片，并释放出来打在上面的离子上。

"该领域的许多人都清楚，使用镜子和透镜等自由空间光学器件的传统方法只能走到这一步，"论文作者、林肯实验室量子信息和集成纳米系统组的高级职员杰里米-塞奇说。"如果把光改为带到芯片上，它就可以被引导到周围许多需要的位置。许多波长的集成传输可能会带来一个非常可扩展和便携的平台。我们首次展示了这是可以做到的。"

    多种颜色  

用被困的离子进行计算，需要精确地独立控制每个离子。当控制一个短的一维链中的几个离子时，自由空间光学已经很好地工作。但是，在一个更大的或二维的离子群中击中一个离子，而不击中它的邻居，是非常困难的。当想象一台实用的量子计算机需要成千上万个离子时，激光控制的这项任务似乎不切实际。

这个迫在眉睫的问题让研究人员找到了另一种方法。2016年，林肯实验室和麻省理工学院的研究人员展示了一种内置光学元件的新芯片。他们将红色激光聚焦到芯片上，芯片上的波导将光路由到光栅耦合器上，这是一种隆起带，用于阻止光并将其引导到离子上。

红光对于做一个叫做量子门的基本操作至关重要，该团队在第一次演示中就进行了这种操作。但最多需要6个不同颜色的激光器来完成量子计算所需的一切操作：准备离子、冷却它、读出它的能量状态，以及执行量子门。通过这个最新的芯片，该团队已经将他们的原理证明扩展到这些所需波长的其余部分，从紫光到近红外。

未来，该团队的目标是建立离子阱阵列，就像这张插图中所描述的那样，用于探索基于这项技术的实用量子计算机的可行性。

"通过这些波长，我们能够执行你需要的基本操作集，以便能够控制被困的离子，"John Chiaverini说，他也是论文的作者之一。他们没有执行的一项操作，即二量子门，由苏黎世联邦理工学院的一个团队通过使用与2016年工作类似的芯片进行了演示，并在同一期《自然》杂志的一篇论文中进行了描述。"这项工作与我们的工作搭配在一起，表明你已经具备了开始构建更大的陷波离子阵列所需的所有东西，"Chiaverini补充道。

    光纤  

为了实现从一个波长到多个波长的飞跃，该团队设计了一种方法，将光纤块直接粘合到芯片的侧面。该块由四根光纤组成，每根光纤都特定于某个波长范围。这些光纤与直接在芯片上图案的相应波导对齐。

"将光纤块阵列与芯片上的波导对齐，并涂上环氧树脂，感觉就像在做手术。这是一个非常精细的过程。我们有大约半微米的公差，它需要在降温到4开尔文的情况下存活下来。"领导实验的Robert Niffenegger说，他是论文的第一作者。

在波导的顶部坐着一层玻璃。玻璃上面是金属电极，产生电场，将离子固定在原地；在光栅耦合器上的金属上开出孔，在那里释放光。整个装置是在林肯实验室的微电子实验室制造的。

设计能够以低损耗将光传递给离子，避免吸收或散射的波导是一个挑战，因为损耗往往会随着蓝色波长的增加而增加。"这是一个开发材料、图案化波导、测试、测量性能、再尝试的过程。我们还必须确保波导的材料不仅能在必要的光波长下工作，还必须确保它们不会干扰捕获离子的金属电极，"Sage说。

    可扩展和便携  

现在，团队正期待着用这种全光集成芯片能做什么。其一，"制造更多"，Niffenegger说。"将这些芯片串联成一个阵列，可以汇集更多的离子，每个离子都能够被精确控制，从而打开通往更强大的量子计算机的大门。"

美国国家标准与技术研究所的物理学家Daniel Slichter没有参与这项研究，他说："这种容易扩展的技术将使复杂的系统具有许多激光束进行并行操作，所有的激光束都能自动对准，并对振动和环境条件具有强大的适应性，在我看来，这对实现具有数千夸位的困离子量子处理器至关重要。"

这种激光集成芯片的一个优势是，它本身就具有抗振动的能力。如果使用外部激光器，激光器的任何振动都会导致它错过离子，芯片的任何振动也是如此。现在，激光束和芯片耦合在一起，振动的影响被有效地抵消了。

这种稳定性对于离子维持 "相干性"，或作为夸比特运行足够长的时间来进行计算是很重要的。如果被困离子传感器要变得便携，它也很重要。例如，基于陷离子的原子钟可以比今天的标准更精确地保持时间，并可用于提高GPS的准确性，因为GPS依赖于卫星上携带的原子钟的同步。

"我们认为这项工作是将科学和工程衔接起来的一个例子，它为学术界和工业界带来了真正的优势，"Sage说。弥合这一差距是麻省理工学院量子工程中心的目标，Sage是该中心的首席研究员。 "我们需要量子技术是强大的、可交付的、用户友好的，让不是量子物理学博士的人也能使用，"Sage说。

同时，该团队希望这个设备能够帮助推动学术研究。"我们希望其他研究机构能够使用这个平台，这样他们就可以专注于其他挑战--比如说，在这个平台上用被困离子进行编程和运行算法。我们认为它为进一步探索量子物理学打开了大门。"Chiaverini说。