出品：科普中國
作者：栾春陽（清華大學實體系博士）
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拟計算領域的“巨大進步”和“值得關注的裡程碑”。
國際上最大規模的基于離子二維陣列的量子模拟計算
（圖檔來源：參考文獻[1]）
這是來自清華大學交叉資訊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作了高達512個離子二維陣列的穩定囚禁和邊帶冷卻，同時采用300個離子量子比特實作了可調耦合的長程橫場伊辛模型（Ising model）的量子模拟計算。
這項研究工作突破了原先的多離子量子模拟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拟計算。
那麼，到底什麼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，它可以被形象地了解為“離子+陷阱”。實際上，這也正是它最核心的兩個要素。其實你可以簡單地了解為“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。
那我們為什麼要囚禁離子呢？離子阱又和我們經常聽到的量子計算有什麼關系呢？
首先，離子其實就是帶電荷的原子，其内部存在天然穩定的能級結構。我們可以從離子的内部選取兩個特定的能級，進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，我們可以将其中能量較高的狀态編碼成為/1⟩态，而将能量較低的狀态編碼成為/0⟩态。與此同時，由于離子内部能級之間的躍遷遵循量子力學中的機率性原理，是以單個離子的能量狀态可以處于/1⟩态和/0⟩态的疊加，進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内部的能态操縱
（圖檔來源：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。随後，在特定的雷射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，進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别火熱的“超導量子計算系統”。其實早在1995年，兩位實體學家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作量子邏輯門的操作，用以建構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漸成熟，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
（圖檔來源：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麼早，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态平衡狀态，其中一種是“束縛電場力”，就是通過人為施加“射頻+直流”的複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内部的互斥互相作用力，并且遵循基本的庫侖定律。
受到“射頻+直流”的複合電場而處于束縛狀态的離子示意圖，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
（圖檔來源：作者繪制）
在外界束縛電場力和内部庫倫作用力的共同作用下，多個離子會沿着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鍊，也被稱為“離子一維構型”。
在實驗中，為了精确地操縱各個離子的量子态，還需要利用聚焦的雷射光束對各個離子進行單獨的雷射尋址操作。在此之前，量子實體學家們利用這種方法，分别在53個離子和61個離子的一維構型上實作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鍊）
（圖檔來源：作者搭建的離子阱平台實物圖）
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。
如果隻是一味地将更多的離子保持在一維離子鍊的狀态，就需要将外界的束縛電場力和内部的庫侖作用力再次平衡，進而不得不降低離子阱沿着軸線方向的束縛電場力強度。但是，這又會導緻離子鍊的軸向運動，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，室溫狀态下的單個離子阱隻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，目前最多也隻能穩定囚禁100—200個離子的一維離子鍊。也就是說，一維離子鍊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。
那麼，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——擴充成二維結構，再低溫儲存
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，隻需将原先的“離子一維構型”更新成為“二維離子陣列”，就可以極大地提高離子阱的擴充性。
然而，要想在實驗上實作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作高達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，為了實作二維離子陣列，就需要對離子阱系統重新設定合适的“束縛電場力”強度，進而将原本的一維離子鍊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
（圖檔來源：參考文獻[1]）
與此同時，為了降低雷射尋址操作時離子之間的互相幹擾，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确地操控，進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态（-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機率，同時抑制離子本身異常的熱運動效應。為此，該研究團隊将整個離子阱系統置于液氦環境中，進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）
（圖檔來源：參考文獻[1]）
正是憑借着上述的兩個獨門秘訣，段路明院士研究團隊首次實作了高達512個離子二維陣列的穩定囚禁，同時對其中的300個離子實作了單量子比特可分辨的量子态測量，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拟計算紀錄。
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别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幹時間（5500s），已經被國際學術界公認為最有希望實作大規模量子計算的實體系統之一。
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（型号：H1-1）的量子體積已超過一百萬（220=1048576）。這裡的量子體積是衡量量子計算機算力性能的綜合性名額，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的量子體積也隻有213，這意味着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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