出品：科普中國
作者：欒春陽（清華大學物理系博士）
監制：中國科普博覽
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近期，離子阱量子計算領域又雙叒爆出大新聞啦！國際頂尖期刊《自然》上發表了一篇論文，被審稿人盛贊為量子模擬計算領域的“巨大進步”和“值得關注的里程碑”。
國際上最大規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了高達512個離子二維陣列的穩定囚禁和邊帶冷卻，同時采用300個離子量子比特實現了可調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目（61個離子量子比特），創下了國際上最大規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呢？這項研究工作又為何會受到如此廣泛的關注呢？
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的核心功能。
那我們為什么要囚禁離子呢？離子阱又和我們經常聽到的量子計算有什么關系呢？
首先，離子其實就是帶電荷的原子，其內部存在天然穩定的能級結構。我們可以從離子的內部選取兩個特定的能級，從而編碼成為性能穩定的二能級系統（也就是量子比特）。
其次，對于單個囚禁離子中的二能級系統而言，我們可以將其中能量較高的狀態編碼成為/1?態，而將能量較低的狀態編碼成為/0?態。與此同時，由于離子內部能級之間的躍遷遵循量子力學中的概率性原理，因此單個離子的能量狀態可以處于/1?態和/0?態的疊加，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部的能態操縱
（圖片來源：參考文獻[2]）
換句話說，如果我們在離子阱系統中能夠穩定囚禁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，從而展現出超強的并行運算能力。
談到量子計算系統，可能各位讀者首先想到的是前段時期特別火熱的“超導量子計算系統”。其實早在1995年，兩位物理學家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定囚禁的離子來實現量子邏輯門的操作，用以構建真實的量子計算系統。
近30年過去了，離子阱量子系統不斷發展并且逐步成熟，已經成為現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的困境——有限的離子數目
既然離子阱量子計算系統的起步這么早，性能又十分優異，離子阱量子計算在此之前的研究熱度為何比不上超導量子計算呢？
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中能夠進行穩定囚禁的離子數目太少了。
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平衡狀態，其中一種是“束縛電場力”，就是通過人為施加“射頻+直流”的復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”的復合電場而處于束縛狀態的離子示意圖，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“離子一維構型”。
在實驗中，為了精確地操縱各個離子的量子態，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，量子物理學家們利用這種方法，分別在53個離子和61個離子的一維構型上實現了高精度的量子比特操控。
囚禁在離子阱系統中的離子量子比特（25個171Yb+離子構成的一維離子鏈）
（圖片來源：作者搭建的離子阱平臺實物圖）
然而，這種“離子一維構型”所能容納的離子數目極其有限，并不能滿足離子阱量子計算的大規模需求。
如果只是一味地將更多的離子保持在一維離子鏈的狀態，就需要將外界的束縛電場力和內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定囚禁的離子數目。
通常而言，室溫狀態下的單個離子阱只能穩定地囚禁幾十個離子的一維構型。就算提高離子阱的真空度，進一步降低系統的環境溫度，目前最多也只能穩定囚禁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目，遠遠達不到未來的通用量子計算機所需的量子比特規模。
那么，在同一個離子阱系統中，如何才能穩定地囚禁更多的離子呢？
穩定囚禁更多離子的關鍵——擴展成二維結構，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目，理論上并不是很難。這是因為，只需將原先的“離子一維構型”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，要想在實驗上實現大規模的二維離子陣列的穩定囚禁，卻是一件極具挑戰性的任務。而這次段路明院士研究團隊實現高達512個離子穩定囚禁的關鍵，就是“二維離子陣列+低溫冷阱技術”。
首先，為了實現二維離子陣列，就需要對離子阱系統重新設置合適的“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型。為此，該研究團隊設計并優化了特殊的電極結構，并且采用一體化的加工方案制備出能夠穩定囚禁二維離子陣列的離子阱系統。
采用一體化加工方案制備出的特殊電極結構，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的穩定性。
其次，為了維持二維離子陣列的長期穩定性，還需要低溫冷阱技術來保證二維離子陣列處于超低溫狀態（-6.1K）。這是因為低溫環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。為此，該研究團隊將整個離子阱系統置于液氦環境中，從而顯著地提高了二維離子陣列的穩定性。
高達512個離子二維陣列的穩定囚禁（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了高達512個離子二維陣列的穩定囚禁，同時對其中的300個離子實現了單量子比特可分辨的量子態測量，創下了國際上最大規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分別創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），已經被國際學術界公認為最有希望實現大規模量子計算的物理系統之一。
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——它們研發的離子阱量子計算系統（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，量子計算機可執行的量子算法的規模與深度也就越大。
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比MOSS的量子體積還大了128倍！
2024年，注定是量子計算領域不平凡的一年，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：
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