照亮未來的離子阱量子計(jì)算機(jī)

近年來，量子計(jì)算發(fā)展突飛猛進(jìn)，已經(jīng)成為新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的前沿領(lǐng)域。無論是學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界還是政府，全世界諸多國家都已經(jīng)認(rèn)識(shí)到量子計(jì)算對(duì)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要意義，并投入了眾多資源來推動(dòng)這一領(lǐng)域的發(fā)展。目前國際上實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的主流路徑有多個(gè)，包括超導(dǎo)量子計(jì)算、半導(dǎo)體量子計(jì)算、離子阱量子計(jì)算、原子量子計(jì)算、核自旋量子計(jì)算和拓?fù)淞孔佑?jì)算等等。 在這眾多實(shí)現(xiàn)路徑當(dāng)中，離子阱量子計(jì)算以其長相干時(shí)間和高計(jì)算精度成為實(shí)現(xiàn)高可靠性量子信息處理器和高精度光學(xué)離子鐘的有力候選方案。 但是這一方法目前發(fā)展面臨的最大瓶頸是其集成上存在很大難度，系統(tǒng)難以擴(kuò)展。 在離子阱量子實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)臺(tái)上往往擺滿了各種反射鏡和透鏡，用來將激光聚焦從而使離子陷俘到某個(gè)位置上。盡管通過利用激光來控制離子阱，科學(xué)家們已經(jīng)學(xué)會(huì)了如何使用離子阱來制作量子計(jì)算機(jī)的基本數(shù)據(jù)單元--量子比特（量子位）。

然而這種基于傳統(tǒng)幾何光路的激光裝置現(xiàn)在卻正在拖累這個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展，因?yàn)檫@種基于傳統(tǒng)幾何光路的方法在實(shí)驗(yàn)上很難同時(shí)實(shí)現(xiàn)多個(gè)離子的陷俘和控制，同時(shí)這些實(shí)驗(yàn)裝置體積較大、易受擾動(dòng)，很難集成從而走出實(shí)驗(yàn)室，走向?qū)嵱没⒐こ袒? 近期，來自美國麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室Lincoln Laboratory的研究人員首次通過使用集成波導(dǎo)、光柵耦合器和表面電極實(shí)現(xiàn)了離子阱量子光路的集成。 這一重要突破以Integrated multi-wavelength control of an ion qubit為題發(fā)表在Nature。 在該論文中，研究人員展示了一種光纖光學(xué)模塊，這種模塊可以集成到離子阱芯片上，從而將光耦合到刻蝕在芯片上的光波導(dǎo)中。通過這些光波導(dǎo)，不同波長的光可以在芯片上導(dǎo)波最終被引導(dǎo)到芯片上離子阱的位置，從而實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算。最重要的是，這種方法實(shí)現(xiàn)了離子阱量子芯片的集成化和可擴(kuò)展化，為離子阱量子計(jì)算走出實(shí)驗(yàn)室、走向進(jìn)一步的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)應(yīng)用鋪平了道路。

多頻率激光集成

基于離子阱進(jìn)行計(jì)算需要對(duì)每個(gè)離子進(jìn)行精密并且各自獨(dú)立的控制。當(dāng)在短距離的一維鏈上控制幾個(gè)離子的時(shí)候，自由空間幾何光路可以做的很好；但是如果要在一個(gè)很大的二維的陣列中只改變一個(gè)離子的狀態(tài)而不影響其他離子，傳統(tǒng)的幾何光路實(shí)現(xiàn)起來非常困難?？紤]到實(shí)際的量子計(jì)算機(jī)往往需要數(shù)以千計(jì)的量子位，這種傳統(tǒng)幾何光路控制的方法難以實(shí)現(xiàn)。 這個(gè)瓶頸促使研究人員去尋找其他可能的方法。在2016年，林肯實(shí)驗(yàn)室和MIT的研究人員展示了一種新型集成光學(xué)芯片。他們將一束紅色激光聚焦到光學(xué)集成芯片上，芯片上的波導(dǎo)將光引導(dǎo)到一個(gè)光柵耦合器中，光柵耦合器可以起到光學(xué)減震帶的作用，將光停止下來同時(shí)把光引導(dǎo)到離子的位置處。紅光是執(zhí)行量子計(jì)算基本操作量子門的關(guān)鍵，該研究團(tuán)隊(duì)在演示中展示了基于紅光的量子門操作。 但是要執(zhí)行全部量子計(jì)算，需要六種不同顏色的激光：制備離子、將其冷卻、讀取它的每個(gè)能量狀態(tài)、和執(zhí)行量子門。有了這樣一個(gè)最新的芯片，該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)將他們的概念驗(yàn)證推廣到了余下幾種從紫外到紅外的波長。

圖1. 這個(gè)動(dòng)畫演示了芯片中的光柵耦合器通過發(fā)出四種波長的激光來實(shí)現(xiàn)對(duì)離子阱的操控和測量。動(dòng)畫中的黃色表面是芯片頂部的金屬電極層。圖源：麻省理工學(xué)院，林肯實(shí)驗(yàn)室 論文的另外一位作者John Chiaverini 表示，“基于這些波長，我們可以執(zhí)行離子阱所有基本操作” 。他們未能展示的一項(xiàng)操作——雙量子比特門——被來自ETH的一個(gè)團(tuán)隊(duì)驗(yàn)證。ETH的團(tuán)隊(duì)使用的是類似于他們2016年工作的芯片，也在這一期Nature上被報(bào)道。Chiaverini補(bǔ)充道，“他們（ETH）的工作和我們的結(jié)合在一起向人們證明了這種方法可以用來制備大規(guī)模的離子阱陣列?！?

光纖光學(xué)

為了能夠從一個(gè)波長提升到多個(gè)波長，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種方法可以將光纖光學(xué)模塊直接制備在芯片上。這個(gè)模塊有四個(gè)光學(xué)光纖組成，每個(gè)光纖對(duì)應(yīng)于一個(gè)特定的波長范圍。這些光纖與芯片上刻蝕的不同波導(dǎo)結(jié)構(gòu)分別耦合在一起。 論文的第一作者，同時(shí)也是文章中實(shí)驗(yàn)部分的主要完成者Robert Niffenegger表示，“將光纖模塊耦合到芯片上的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，同時(shí)涂覆環(huán)氧樹脂感覺就像我們是在進(jìn)行外科手術(shù)。這是一個(gè)非常精密的工作，我們這個(gè)離子阱量子芯片加工的可接受誤差范圍只有0.5微米，并且要保證這個(gè)芯片在4K(-269℃)的低溫下能夠正常工作。”

圖2. 利用單模波導(dǎo)和光柵耦合器來引導(dǎo)光束聚焦。 圖源：Nature 586, 538–542(2020) Extended Data Fig. 1 研究人員在波導(dǎo)的表面覆蓋了一層玻璃，玻璃的上面是金屬電極，這些金屬電極可以將離子保持在正確的位置上。金屬電極上布滿了孔，從而可以在光柵耦合器正確的位置上將光輻射出去。 因?yàn)椴ㄩL越小，損耗往往越大，所以要讓光以低損耗傳遞給離子，同時(shí)避免介質(zhì)的吸收或散射是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。 參與實(shí)驗(yàn)的Sage說，“這是一個(gè)開發(fā)材料、繪制波導(dǎo)圖形、測試樣品、測量性能，然后再嘗試的過程。我們還必須確保波導(dǎo)材料的工作不僅與所需的光波長一致，同時(shí)不會(huì)干擾捕捉離子的金屬電極?！?

可擴(kuò)展性和便攜性

對(duì)于這種芯片的應(yīng)用前景，論文作者之一Niffenegger表示，“未來我們可以將這些芯片組合成為陣列來集成更多的離子阱，使得每個(gè)離子阱都可以被精確控制，從而為更強(qiáng)大的量子計(jì)算機(jī)打開大門。” 來自美國國家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究所的物理學(xué)家Daniel Slichter對(duì)這一重要突破評(píng)論道，“這種可擴(kuò)展的技術(shù)將使擁有許多激光的復(fù)雜系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)并行操作，同時(shí)對(duì)于振動(dòng)和環(huán)境條件具有很強(qiáng)的抗干擾能力，這是對(duì)于實(shí)現(xiàn)擁有成千上萬離子阱的量子處理器至關(guān)重要?！?這種光學(xué)集成芯片的優(yōu)點(diǎn)是它的強(qiáng)大抗干擾能力。對(duì)于實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的激光器，任何振動(dòng)都有可能使得離子阱的操控出現(xiàn)錯(cuò)誤。而當(dāng)激光束和芯片耦合在一起，振動(dòng)的影響就可以有效地消除。 這種抗干擾能力對(duì)于提高離子阱的“相干性”，或者延長量子位的計(jì)算時(shí)間非常重要，同時(shí)也能極大提高離子阱傳感器的便攜性。例如，基于離子阱的原子鐘可以比現(xiàn)在的標(biāo)準(zhǔn)更精確地計(jì)時(shí)，還可以提高依靠衛(wèi)星上原子鐘同步的全球定位系統(tǒng)(GPS)的精度。

論文作者之一Sage表示，“我們將這項(xiàng)工作視為連接科學(xué)與工程的成功范例，因?yàn)檫@一突破對(duì)于學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界都有很大的推動(dòng)作用。我們需要讓量子技術(shù)變得魯棒和便攜，同時(shí)也要讓非量子物理背景的人員易于使用它”。同時(shí)，該團(tuán)隊(duì)希望這個(gè)平臺(tái)可以幫助推動(dòng)學(xué)術(shù)研究。 論文另外一位作者Chiaverini表示，“我們希望有更多的研究機(jī)構(gòu)使用這個(gè)平臺(tái)，這樣他們就可以專注于其他的挑戰(zhàn)——例如，在這個(gè)平臺(tái)上編程和運(yùn)行基于離子阱的量子算法，從而進(jìn)一步打開探索量子物理的大門”。 文章信息Niffenegger, R.J., Stuart, J., Sorace-Agaskar, C. et al. Integrated multi-wavelength control of an ion qubit. Nature586, 538–542 (2020). 論文地址https://doi.org/10.1038/s41586-020-2811-x

原文標(biāo)題：照亮未來：離子阱量子計(jì)算機(jī)

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