揭秘！离子阱：量子江湖的“黑马”

出品：科普中国

作者：栾春阳（清华大学物理系博士）

监制：中国科普博览

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近期，离子阱量子计算领域又双叒爆出大新闻啦！国际顶尖期刊《自然》上发表了一篇论文，被审稿人盛赞为量子模拟计算领域的“巨大进步”和“值得关注的里程碑”。

国际上最大规模的基于离子二维阵列的量子模拟计算

（图片来源：参考文献[1]）

这是来自清华大学交叉信息研究院的段路明院士研究团队做的研究，他们在国际上首次实现了高达512个离子二维阵列的稳定囚禁和边带冷却，同时采用300个离子量子比特实现了可调耦合的长程横场伊辛模型（Ising model）的量子模拟计算。

这项研究工作突破了原先的多离子量子模拟计算的最高比特数目（61个离子量子比特），创下了国际上最大规模的基于离子二维阵列的量子模拟计算。

那么，到底什么是离子阱量子计算系统呢？这项研究工作又为何会受到如此广泛的关注呢？

离子阱——能够囚禁离子的“魔法陷阱”

对于“离子阱”这一概念，相信很多人是第一次听到，从字面意义上看，它可以被形象地理解为“离子+陷阱”。实际上，这也正是它最核心的两个要素。其实你可以简单地理解为“能够俘获和囚禁离子的魔法陷阱”，这是离子阱量子系统的核心功能。

那我们为什么要囚禁离子呢？离子阱又和我们经常听到的量子计算有什么关系呢？

首先，离子其实就是带电荷的原子，其内部存在天然稳定的能级结构。我们可以从离子的内部选取两个特定的能级，从而编码成为性能稳定的二能级系统（也就是量子比特）。

其次，对于单个囚禁离子中的二能级系统而言，我们可以将其中能量较高的状态编码成为/1⟩态，而将能量较低的状态编码成为/0⟩态。与此同时，由于离子内部能级之间的跃迁遵循量子力学中的概率性原理，因此单个离子的能量状态可以处于/1⟩态和/0⟩态的叠加，从而作为离子量子比特参与到量子计算机的并行运算中。

离子量子比特的探测以及内部的能态操纵

（图片来源：参考文献[2]）

换句话说，如果我们在离子阱系统中能够稳定囚禁N个离子，理论上就可以编码成为N个独立的离子量子比特。随后，在特定的激光光场以及微波场的驱动下，这些离子量子比特便可以进行2的N次方的并行量子运算，从而展现出超强的并行运算能力。

谈到量子计算系统，可能各位读者首先想到的是前段时期特别火热的“超导量子计算系统”。其实早在1995年，两位物理学家Ignatio Cirac（伊格纳西奥·西拉克）和Peter Zoller（彼得·佐勒）就首次提出可以利用稳定囚禁的离子来实现量子逻辑门的操作，用以构建真实的量子计算系统。

近30年过去了，离子阱量子系统不断发展并且逐步成熟，已经成为现今主流的量子计算体系之一。

1995年，离子阱量子计算方案就首次被提出

（图片来源：参考文献[3]）

离子阱量子计算系统的困境——有限的离子数目

既然离子阱量子计算系统的起步这么早，性能又十分优异，离子阱量子计算在此之前的研究热度为何比不上超导量子计算呢？

这是因为离子阱量子计算方案始终面临一个难以解决的大麻烦，那就是单个离子阱系统中能够进行稳定囚禁的离子数目太少了。

主流的保罗型（Paul）离子阱，其中的离子会同时受到两种作用力而处于动态平衡状态，其中一种是“束缚电场力”，就是通过人为施加“射频+直流”的复合电场来束缚离子的运动；另外一种是“库仑作用力”，这是存在于带电离子之间内部的互斥相互作用力，并且遵循基本的库仑定律。

受到“射频+直流”的复合电场而处于束缚状态的离子示意图，轴向的黄色箭头代表直流电场，交变的绿色箭头代表交流电场

（图片来源：作者绘制）

在外界束缚电场力和内部库伦作用力的共同作用下，多个离子会沿着离子阱的轴线方向自发排列成间距为几个微米的一维离子链，也被称为“离子一维构型”。

在实验中，为了精确地操纵各个离子的量子态，还需要利用聚焦的激光光束对各个离子进行单独的激光寻址操作。在此之前，量子物理学家们利用这种方法，分别在53个离子和61个离子的一维构型上实现了高精度的量子比特操控。

囚禁在离子阱系统中的离子量子比特（25个171Yb+离子构成的一维离子链）

（图片来源：作者搭建的离子阱平台实物图）

然而，这种“离子一维构型”所能容纳的离子数目极其有限，并不能满足离子阱量子计算的大规模需求。

如果只是一味地将更多的离子保持在一维离子链的状态，就需要将外界的束缚电场力和内部的库仑作用力再次平衡，从而不得不降低离子阱沿着轴线方向的束缚电场力强度。但是，这又会导致离子链的轴向运动，更加容易受到外界电磁噪声的影响，最终又限制了所能稳定囚禁的离子数目。

通常而言，室温状态下的单个离子阱只能稳定地囚禁几十个离子的一维构型。就算提高离子阱的真空度，进一步降低系统的环境温度，目前最多也只能稳定囚禁100—200个离子的一维离子链。也就是说，一维离子链所能容纳的离子数目，远远达不到未来的通用量子计算机所需的量子比特规模。

那么，在同一个离子阱系统中，如何才能稳定地囚禁更多的离子呢？

稳定囚禁更多离子的关键——扩展成二维结构，再低温保存

其实，要想进一步拓展单个离子阱中的离子比特数目，理论上并不是很难。这是因为，只需将原先的“离子一维构型”升级成为“二维离子阵列”，就可以极大地提高离子阱的扩展性。

然而，要想在实验上实现大规模的二维离子阵列的稳定囚禁，却是一件极具挑战性的任务。而这次段路明院士研究团队实现高达512个离子稳定囚禁的关键，就是“二维离子阵列+低温冷阱技术”。

首先，为了实现二维离子阵列，就需要对离子阱系统重新设置合适的“束缚电场力”强度，从而将原本的一维离子链挤压成为二维空间中的离子构型。为此，该研究团队设计并优化了特殊的电极结构，并且采用一体化的加工方案制备出能够稳定囚禁二维离子阵列的离子阱系统。

采用一体化加工方案制备出的特殊电极结构，红色点阵即为二维离子阵列的示意图

（图片来源：参考文献[1]）

与此同时，为了降低激光寻址操作时离子之间的相互干扰，该研究团队进一步增加了离子之间的距离。如此一来，二维离子阵列中的各个离子都能够被精确地操控，从而提高了整个离子阱量子计算系统的稳定性。

其次，为了维持二维离子阵列的长期稳定性，还需要低温冷阱技术来保证二维离子阵列处于超低温状态（-6.1K）。这是因为低温环境能够有效降低囚禁离子与背景气体分子的碰撞概率，同时抑制离子本身异常的热运动效应。为此，该研究团队将整个离子阱系统置于液氦环境中，从而显著地提高了二维离子阵列的稳定性。

高达512个离子二维阵列的稳定囚禁（171Yb+离子）

（图片来源：参考文献[1]）

正是凭借着上述的两个独门秘诀，段路明院士研究团队首次实现了高达512个离子二维阵列的稳定囚禁，同时对其中的300个离子实现了单量子比特可分辨的量子态测量，创下了国际上最大规模的单量子比特可分辨的多离子量子模拟计算纪录。

离子阱量子计算——实力强劲的“未来之星”

目前，离子阱量子计算系统分别创下了最高保真度的单量子比特门（99.9999%），最高保真度的双量子比特门（99.94%），以及最长的单量子比特相干时间（5500s），已经被国际学术界公认为最有希望实现大规模量子计算的物理系统之一。

而就在前不久的4月16日，来自Quantinuum的离子阱研究团队也公布了最新的进展——它们研发的离子阱量子计算系统（型号：H1-1）的量子体积已超过一百万（220=1048576）。这里的量子体积是衡量量子计算机算力性能的综合性指标，量子体积越大，量子计算机可执行的量子算法的规模与深度也就越大。

作为对比，《流浪地球2》电影中MOSS的量子体积也只有213，这意味着离子阱量子计算系统比MOSS的量子体积还大了128倍！

2024年，注定是量子计算领域不平凡的一年，让我们共同期待离子阱量子计算更多闪亮的新进展吧！

参考文献：

[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.