【編者按】本文作者Alexander Hellemans，王婉婷翻譯，來(lái)源：IEEE Spectrum。

NIST量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)中使用的離子陷阱（Ion trap），通過(guò)用兩種不同種類(lèi)離子形成的量子比特進(jìn)行邏輯運(yùn)算。

不久前，兩個(gè)研究團(tuán)體——一個(gè)來(lái)自位于科羅拉多州巨石城美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所（NIST），另一個(gè)來(lái)自牛津大學(xué)——報(bào)告了他們首次完成的糾纏不同種類(lèi)粒子的實(shí)驗(yàn)。

即使糾纏粒子之間的距離有幾個(gè)星系那么遠(yuǎn)，它們的量子屬性仍然相連（linked）。糾纏粒子將會(huì)成為未來(lái)量子計(jì)算機(jī)的基本模塊（building blocks）。到現(xiàn)在為止，科學(xué)家們已經(jīng)完成了光子、電子以及離子的糾纏——相同種類(lèi)的情況下。來(lái)自NIST的團(tuán)隊(duì)在《自然》雜志上報(bào)告了他們成功地將鋁離子（Mg）和鈹離子（Be）糾纏起來(lái)，然后運(yùn)用這樣的糾纏離子展示了2種重要的邏輯運(yùn)算：CNOT閘（受控反閘，Controlled-NOT）和SWAP閘（互換閘）。牛津大學(xué)的科學(xué)家們將鈣的兩種同位素（40Ca和43Ca）的離子糾纏起來(lái)，然后也用測(cè)試證明了這樣兩種離子能夠恰當(dāng)?shù)兀≒roperly）進(jìn)行糾纏。他們同樣也把成果發(fā)表在了《自然》雜志上。

由于離子帶有正電荷，它們可以被一種稱(chēng)為保羅陷阱（Paul trap）的交叉電磁場(chǎng)所俘獲。保羅陷阱在本質(zhì)上是一個(gè)帶有用來(lái)提供電磁場(chǎng)的電極的小玻璃管，迫使糾纏離子分開(kāi)幾微米遠(yuǎn)的距離，進(jìn)入最低能量位置（minimum-energy positions）。保羅陷阱被置于一個(gè)大型的1立方米的真空空間中，以此來(lái)最小化周遭空氣中的分子帶來(lái)的影響——空氣中的分子可能會(huì)破壞被俘獲離子的糾纏狀態(tài)，Ting Rei Tan這樣解釋道，他是NIST參與這項(xiàng)研究的物理學(xué)家之一。

　?。x子在“x”中被俘獲了）

一旦離子被俘獲，科學(xué)家們就用激光脈沖（laser pulse）同時(shí)轟擊它們——這會(huì)令它們能夠保持足夠長(zhǎng)時(shí)間的糾纏態(tài)來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)——其中一道脈沖也用來(lái)偵測(cè)這對(duì)糾纏離子的量子狀態(tài)。由于是不同種離子的糾纏，所以不同的離子會(huì)對(duì)不同波長(zhǎng)的光有反應(yīng)，那么它們就能被分開(kāi)來(lái)單獨(dú)偵測(cè)；也就是說(shuō)，一個(gè)離子對(duì)于某種脈沖產(chǎn)生反應(yīng)時(shí)，另一個(gè)是不會(huì)受到脈沖影響的。

不同種離子的糾纏也會(huì)在另一方面有反應(yīng)差異。一個(gè)離子需要得到強(qiáng)力的轟擊才能改變它的量子狀態(tài)，但隨后它能夠在新的量子狀態(tài)中保持更長(zhǎng)的時(shí)時(shí)間——它的退相干（decoherence）時(shí)間很長(zhǎng)。另一個(gè)離子對(duì)于外界的干擾非常敏感，但退相干很快。

這種神奇的量子行為可能會(huì)為量子計(jì)算中的一種常見(jiàn)問(wèn)題帶來(lái)解決方法，Chris Ballance說(shuō)道，他是牛津大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)的一員：

“你有這兩種互相沖突的要求：你希望系統(tǒng)是與環(huán)境相當(dāng)隔絕的，這樣的話你的量子狀態(tài)就不會(huì)被周遭環(huán)境中的事物搞砸；當(dāng)你想要操縱這個(gè)系統(tǒng)的時(shí)候，你又希望它能和環(huán)境兼容得相當(dāng)好。你想要有一個(gè)按鈕，按下它就能改變一部分的量子狀態(tài)——這牽扯到環(huán)境和系統(tǒng)強(qiáng)有力的交互”

通過(guò)這種方法，科學(xué)家們能夠用1對(duì)糾纏量子來(lái)進(jìn)行2種量子運(yùn)算：控制量子比特，以及將數(shù)據(jù)儲(chǔ)存進(jìn)存儲(chǔ)器。那些對(duì)于環(huán)境敏感的量子比特，生命周期很短，而那些對(duì)于外部世界不敏感的量子比特則能將糾纏態(tài)保持更長(zhǎng)的時(shí)間，所以也就是能將攜帶的數(shù)據(jù)保存更長(zhǎng)的時(shí)間。

“通過(guò)這種方法，我們能夠在保有我們的蛋糕的同時(shí)又吃掉了它。我們有一個(gè)能夠和環(huán)境兼容相當(dāng)好的系統(tǒng)，也有一個(gè)獨(dú)立的、具有很好的存儲(chǔ)能力（Memory）的系統(tǒng)，”Ballance說(shuō)道。

雖然這是非常重要的一個(gè)進(jìn)展，但真正建立起一臺(tái)使用這種糾纏量子的量子計(jì)算機(jī)仍然是一個(gè)讓人望而生畏的任務(wù)。“我們邁出了稚嫩的第一步……未來(lái)的量子計(jì)算機(jī)將會(huì)需要更多的量子比特，數(shù)量可能上百，”來(lái)自NIST的Tan說(shuō)道。

在這種量子計(jì)算機(jī)里，有兩種可能的方法來(lái)連接量子比特：一個(gè)巨大到包含了整臺(tái)計(jì)算機(jī)的保羅陷阱，或是運(yùn)用“飛行量子比特”（flying quibite）。根據(jù)Ballance的說(shuō)法：

“第一種方法是制作一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的保羅陷阱，里面有許多電極，你可以用這些電極來(lái)開(kāi)啟和關(guān)閉閘門(mén)、以此控制離子前進(jìn)或者后退——你可以把它想象成一個(gè)非常復(fù)雜的街道網(wǎng)格，電極在移動(dòng)著，將離子推往陷阱的不同區(qū)域。另一種方法是制作許多獨(dú)立的小型陷阱，然后利用交換量子（interface qubits）來(lái)模擬光纖中嵌入的光子，像光纖一樣將許多這樣的小型系統(tǒng)連接在一起。”