量子計算機是一種能以遠(yuǎn)比傳統(tǒng)計算機更快的速度執(zhí)行某些計算的尚未實現(xiàn)的設(shè)備。量子計算的計算方式和經(jīng)典的表示 0 或 1 的計算方式不同，量子計算機由量子位（qubit）構(gòu)成，量子位可以同時表示 0 和 1。

盡管帶有多達 12 個量子位的量子系統(tǒng)已經(jīng)在實驗室中得到了證實，但創(chuàng)造足夠復(fù)雜的能夠執(zhí)行有價值的計算的量子計算機還需要對量子位技術(shù)進行小型化，這就像晶體管的小型化帶來了現(xiàn)代計算機一樣。

囚禁離子（trapped ions）是得到了最廣泛研究的量子位技術(shù)，但它們在歷史上一直需要龐大而復(fù)雜的硬件設(shè)備。在今天的 Nature Nanotechnology 中，MIT 和 MIT 林肯實驗室的研究者發(fā)表論文稱又向?qū)嵱没牧孔佑嬎銠C邁出了重要的一步，該論文描述了一種新型的原型芯片，該芯片可以將離子囚禁在一個電場中，以及使用內(nèi)置的光學(xué)器件將激光引導(dǎo)至每一個離子。

「如果你看一下傳統(tǒng)的裝配方法，它是一個內(nèi)部真空的桶，在里面就是用來囚禁離子的『籠』。然后基本上就需要一整個實驗室的外部光學(xué)設(shè)備來將激光束引導(dǎo)到離子的裝配上。」該論文的高級作者之一、MIT 電氣工程教授 Rajeev Ram 說，「我們的愿景是將這整個外部實驗室小型化到一塊芯片上?！?/p>

裝進籠子里

林肯實驗室的這個量子信息與集成納米系統(tǒng)組（Quantum Information and Integrated Nanosystems）是幾個開發(fā)更簡單更小型的所謂「表面陷阱（surface traps）」的研究團隊之一。一個標(biāo)準(zhǔn)的離子阱（ion trap）看起來就像是一個小籠子，只不過它的圍欄是可以產(chǎn)生電場的電極。離子在這個籠子的中央進行排列，與圍欄平行。而表面陷阱則是電極嵌入在其表面的芯片。其離子懸浮在這些電極上方 50 微米高度。

籠式陷阱有尺寸上的本質(zhì)限制，但表面陷阱理論上可以無限地擴展。在當(dāng)前的技術(shù)水平下，它們?nèi)匀槐匦枰环胖迷谡婵帐抑?，但它們可以允許在內(nèi)部配置遠(yuǎn)遠(yuǎn)更多的量子位。

「我們相信為了將這些系統(tǒng)擴展到大規(guī)模量子計算所需的非常大的離子數(shù)量上，表面陷阱是一項關(guān)鍵的技術(shù)。那些籠式陷阱的效果非常好，但它們只能在 10 個或 20 個離子上工作，差不多到那個水平就是最大的了?！笿eremy Sage 如是說，他與 John Chiaverini 一起領(lǐng)導(dǎo)著林肯實驗室的囚禁離子量子信息處理項目（trapped-ion quantum-information-processing project）。

而執(zhí)行量子計算需要對每一個量子位都有獨立的準(zhǔn)確能態(tài)（energy state）控制。囚禁離子量子位使用激光束進行控制。在一個表面陷阱中，離子之間的距離只有 5 微米。使用外部激光射擊一個離子時而不會影響到它附近的離子是非常困難的；只有很少的研究團隊曾經(jīng)嘗試做到了這一點，然而他們的技術(shù)并不適用于大規(guī)模系統(tǒng)。

集成到板上

這是 Ram 的團隊所做到的。Ram 和 Karan Mehta（MIT 的電氣工程研究生，本論文的第一作者）設(shè)計并建立了一個能夠引導(dǎo)激光到單個離子的片上光學(xué)部件。Sage、Chiaverini 以及他們林肯實驗室的同事 Colin Bruzewicz 和 Robert McConnell 重新改進了他們的表面陷阱，使其能在不減損性能的情況下適配集成光學(xué)。同心協(xié)力，兩個團隊設(shè)計并執(zhí)行了實驗，以測試這一新系統(tǒng)。

Ram 說，「對表面電極陷阱而言，激光束來自于一個光學(xué)臺（optical table）并進入這一系統(tǒng)，所以我們總會擔(dān)心光束會震動或移動。有了光子集成（photonic integration），你就不需要擔(dān)心光束點的穩(wěn)定性，因為它們也都在電極所在的同一芯片上。所以一切都是彼此固定的，它是穩(wěn)定的?！?/p>

研究者的新型芯片建立在石英基板上。在石英頂端是一個氮化硅「導(dǎo)波管（ waveguide）」網(wǎng)絡(luò)，能在芯片上引導(dǎo)激光。導(dǎo)波管上面是一個玻璃層，頂部是一個鈮電極。在電極中孔洞的下方，導(dǎo)波管分解成一系列連續(xù)的凸脊（ridges），一個精準(zhǔn)設(shè)計的「衍射光柵」引導(dǎo)光點穿過孔洞，并聚焦足夠狹窄的光束以瞄準(zhǔn)單個離子，它處于芯片表面的 50 微米以上。

愿景

使用這一原型芯片，研究者評估了衍射光柵和離子阱的表現(xiàn)，但沒有機制能夠改變傳達到每一離子上的光子數(shù)量。在接下來的工作中，這些研究者將會研究在衍射光柵中加入光調(diào)制器，以便于不同量子位能同時收到不同的、強度隨時間變化的光子。這個工作將使得編程量子位更加有效，這在實用量子信息系統(tǒng)中非常重要，因為系統(tǒng)所能執(zhí)行的量子操作的數(shù)量受到了量子位「相干時間（coherence time）」的限制。

「據(jù)我所知，這是在同一塊芯片上集成光波導(dǎo)作為離子阱的首次嘗試。這也是將離子阱量子信息處理器（QIP）擴展成最終包含足以進行有用的量子信息處理的量子位數(shù)量上所邁出的重要一步?！古＝虼髮W(xué)的物理學(xué)教授 David Lucas 說，「眾所周知，在囚禁離子量子位上能夠取得破紀(jì)錄的相干時間，而且在小數(shù)量的量子位上能夠進行非常精準(zhǔn)的操作。但值得爭論的是，要實現(xiàn)將系統(tǒng)擴展到更大數(shù)量的量子位的技術(shù)，哪個最重要的領(lǐng)域的哪些過程需要去做。這正是這個研究正在努力解決的需求?！?/p>

Lucas 補充說：「當(dāng)然，認(rèn)識到這僅僅是開始的演示也是非常重要的。但要相信這一技術(shù)能夠獲得顯著的改善，這是很有希望的。作為第一步，這是一項非常好的成果?！?/p>