首个集成光学的离子阱芯片在MIT林肯实验室诞生

大多数专家认为，量子计算仍然处于一个实验性的时代，当下的量子技术可以与1930年代后期的经典计算进行比较。

量子计算采用了各种计算技术路线，例如低温超导、离子阱、光子学、硅基等。过去，多数人认为，可以投入使用的容错量子机器可能还要等十年或更长的时间。但是，麻省理工学院林肯实验室的研究人员，在离子阱量子计算机和量子传感器的发展上，迈出了至关重要的一步。

IBM、谷歌、阿里巴巴和本源量子等公司使用的超导量子比特是目前最常用的技术。即便如此，另辟蹊径的离子阱量子比特，依然是最成熟的量子比特技术，它的历史可以追溯到90年代期间原子钟的应用。

全球范围内，霍尼韦尔和IonQ是离子阱量子计算的最主要商业大用户。在本月初他们分别公布了在该技术路线的成就，IonQ甚至准备弃用IBM引以为傲的量子体积（QV）指标。

离子阱量子计算机

图1｜在量子计算机中描绘外部激光器和光学设备（来源：MIT实验室）

霍尼韦尔和IonQ都使用了一种名为“镱”的稀土金属同位素，来制造离子阱量子比特。

麻省理工学院在集成光子的芯片中使用了一种名为“锶”的碱性金属，其产生离子的过程在本质上与前者是相同的。

精密激光从原子中去除外层电子，形成带正电的离子。然后，激光像镊子一样，将离子移动到位。离子一旦就位，振荡电压场会将其固定在适当的位置。

离子的一个主要优点在于，它是天然的，不是人造的，所有的离子阱量子比特是完全相同的。在地球上产生的离子阱量子比特，与在另一个星球上产生的离子阱量子比特，可以成为一对完美的双胞胎。

麻省理工学院林肯实验室离子阱与光子学小组的成员Robert Niffenegger博士组织了此次实验，他也是《自然》杂志上论文发表的第一作者。

他解释了为何将锶用于MIT芯片而不是镱，霍尼韦尔和IonQ的首选离子。他说：“为离子阱开发的光子是第一个与紫色和蓝色波长兼容的光子，传统的光子学材料在蓝色、紫色和紫外线中有很高的损耗。因为锶离子不需要紫外线来进行光学控制，所以用其代替了镱。”

图2｜霍尼韦尔量子解决方案（来源：MIT实验室）

颠覆格局的新方法

所有操控离子的行为，都需要在包含离子阱的量子处理器芯片的真空室内进行。该腔室可保护离子免受环境污染，并防止其与空气分子发生碰撞。除了产生离子并将其移动到位之外，激光还要对每个量子比特执行必要的量子作业。

由于激光器和光学组件很大，因此必须将其放置在真空室的外部。镜子和其他光学设备可引导并聚焦外部激光束，使其穿过真空室的窗户，到达至离子上。

如今，在量子计算机中使用的最大的离子阱量子比特是32，要使量子计算机真正有用，就需要数百万个量子比特。

当然，这也意味着还需要成千上万个激光器来控制和测量这数百万个离子量子比特。

更为棘手的是要使用两种类型的离子，例如霍尼韦尔机器中的镱和钡。当前控制激光器的方法，使建造几百个量子比特以上的离子阱量子计算机面临挑战。

图3｜光纤耦合激光直接进入 MIT 离子阱芯片（来源：MIT实验室）

与其需要借助光学器件并从镜子上反射激光以将光束对准真空室，麻省理工学院的研究人员开发了另一种方法。他们已经弄清楚了如何使用光纤和光子，将激光脉冲直接传送到腔室内，并将它们对准在芯片上的各个离子之上。

锶离子阱量子计算机需要六个不同频率的激光器，每个频率对应一个不同的颜色，其颜色范围从近紫外到近红外，每种颜色对离子量子比特执行不同的操作。

麻省理工学院的出版社以这种方式描述了这一新进展：“林肯实验室的研究人员已经研发出一种十分严谨的方式，可以将激光传送到离子阱上。《自然》杂志中，研究人员描述了这种可以插入离子阱芯片的光纤模块，将光耦合到芯片本身中制造的光波导。通过这些波导，多种波长（颜色）的光可以穿过芯片散发出来，从而撞击到其上方的离子。”

图4｜光通过光纤耦合到MIT集成光子捕获芯片，光纤通过光纤进料进入低温真空室（来源：MIT实验室）

换句话说，麻省理工学院的研究人员没有使用外部反射镜将激光照射到真空室内，而是使用了多根光纤和光子波导。

在量子芯片的下侧安装了一块装有四根光纤的模块，该模块可提供多种颜色。根据Niffenegger的描述：“将纤维块阵列对准芯片上的波导，同时运用环氧树脂毡，这一行为像进行外科手术一样，是一个非常微妙的过程。我们有大约半微米的容错值，并且这个过程需要冷却到4摄氏度。”

当Niffenegger博士谈及他对他的团队发展的意义有何想法时，他的回答很有趣：“我认为，量子计算领域的大多数人觉得目前已是定局，所有的领先技术已经发展完善。而我觉得我们的示例，以及结合了离子阱量子比特控制的其他工作，可以将游戏推向新的高度，改变规则。但是，我只是希望此举能激发出更多奇思妙想，这些想法可以突破量子计算技术，达到实际的应用。”
 

参考链接:

[1]https://www.forbes.com/sites/moorinsights/2020/10/26/mit-lincoln-laboratory-creates-the-first-trapped-ion-quantum-chip-with-integrated-photonics/#7e9c28a8126a

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