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

盡管帶有多達(dá) 12 個(gè)量子位的量子系統(tǒng)已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室中得到了證實(shí)，但創(chuàng)造足夠復(fù)雜的能夠執(zhí)行有價(jià)值的計(jì)算的量子計(jì)算機(jī)還需要對量子位技術(shù)進(jìn)行小型化，這就像晶體管的小型化帶來了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)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(shí)驗(yàn)室的研究者發(fā)表論文稱又向?qū)嵱没�的量子�?jì)算機(jī)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(gè)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(gè)離子。

「如果你看一下傳統(tǒng)的裝配方法，它是一個(gè)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(gè)實(shí)驗(yàn)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(gè)外部實(shí)驗(yàn)室小型化到一塊芯片上�！�

裝進(jìn)籠子里

林肯實(shí)驗(yàn)室的這個(gè)量子信息與集成納米系統(tǒng)組（Quantum Information and Integrated Nanosystems）是幾個(gè)開發(fā)更簡單更小型的所謂「表面陷阱（surface traps）」的研究團(tuán)隊(duì)之一。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的離子阱（ion trap）看起來就像是一個(gè)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(gè)籠子的中央進(jìn)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?cái)U(kuò)展。在當(dāng)前的技術(shù)水平下，它們?nèi)匀槐匦枰�被放置在真空室中，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(kuò)展到大規(guī)模量子計(jì)算所需的非常大的離子數(shù)量上，表面陷阱是一項(xiàng)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(gè)或 20 個(gè)離子上工作，差不多到那個(gè)水平就是最大的了。」Jeremy Sage 如是說，他與 John Chiaverini 一起領(lǐng)導(dǎo)著林肯實(shí)驗(yàn)室的囚禁離子量子信息處理項(xiàng)目（trapped-ion quantum-information-processing project）。

而執(zhí)行量子計(jì)算需要對每一個(gè)量子位都有獨(dú)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(jìn)行控制。在一個(gè)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(gè)離子時(shí)而不會(huì)影響到它附近的離子是非常困難的；只有很少的研究團(tuán)隊(duì)曾經(jīng)嘗試做到了這一點(diǎn)，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(tuán)隊(duì)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(jì)并建立了一個(gè)能夠引導(dǎo)激光到單個(gè)離子的片上光學(xué)部件。Sage、Chiaverini 以及他們林肯實(shí)驗(yàn)室的同事 Colin Bruzewicz 和 Robert McConnell 重新改進(jìn)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(gè)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并執(zhí)行了實(shí)驗(yàn)，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(gè)光學(xué)臺（optical table）并進(jìn)入這一系統(tǒng)，所以我們總會(huì)擔(dān)心光束會(huì)震動(dòng)或移動(dòng)。有了光子集成（photonic integration），你就不需要擔(dān)心光束點(diǎn)的穩(wěn)定性，因?yàn)樗鼈円捕荚陔姌O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。」

研究者的新型芯片建立在石英基板上。在石英頂端是一個(gè)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(gè)玻璃層，頂部是一個(gè)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(gè)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)的「衍射光柵」引導(dǎo)光點(diǎn)穿過孔洞，并聚焦足夠狹窄的光束以瞄準(zhǔn)單個(gè)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(jī)制能夠改變傳達(dá)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(huì)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(shí)收到不同的、強(qiáng)度隨時(shí)間變化的光子。這個(gè)工作將使得編程量子位更加有效，這在實(shí)用量子信息系統(tǒng)中非常重要，因?yàn)橄到y(tǒng)所能執(zhí)行的量子操作的數(shù)量受到了量子位「相干時(shí)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(kuò)展成最終包含足以進(jìn)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(shí)間，而且在小數(shù)量的量子位上能夠進(jìn)行非常精準(zhǔn)的操作。但值得爭論的是，要實(shí)現(xiàn)將系統(tǒng)擴(kuò)展到更大數(shù)量的量子位的技術(shù)，哪個(gè)最重要的領(lǐng)域的哪些過程需要去做。這正是這個(gè)研究正在努力解決的需求。」

Lucas 補(bǔ)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(xiàng)非常好的成果。」