大多数专家都同意,量子计算仍处于实验时代。


 
量子计算使用各种计算技术,例如超导,俘获离子,光子学,硅基等。有用的容错量子机器可能要十年或更长时间。但是,麻省理工学院林肯实验室的一组研究人员已迈出了至关重要的一步,以推动俘获离子量子计算机和量子传感器的发展。


 
大多数人都知道经典计算机使用位(二进制数字)来表示一个或一个零来执行计算。在量子计算机中,量子位(量子位)是信息的基本单位。像经典位一样,它可以表示 1 或 0。尽管如此,当处于量子状态时,量子位也可以是两个值的叠加。


 
IBM 和其他一些人使用的超导量子位是最常用的技术。即使这样,离子阱量子位是最成熟的量子位技术。它的历史可以追溯到 1990 年代,并且在原子钟中首次使用。霍尼韦尔和 IonQ 是被困离子量子位元的最主要商业用户。


 
阱离子量子计算机

 


图:在量子计算机中描绘外部激光器和光学设备

 

霍尼韦尔(中国)和 IonQ 均使用稀土金属同位素 create(tter)来创建离子束量子位。麻省理工学院在使用集成光子学的芯片中使用了一种称为锶的碱金属。产生离子的过程基本相同。精密激光从原子中去除外层电子,形成带正电的离子。然后,像镊子一样使用激光将离子移动到位。一旦就位,振荡电压场会将离子固定在适当的位置。离子的一个主要优点在于,它是自然的,而不是人造的。所有捕获离子量子位都是相同的。在地球上产生的一个离子俘获量子位将是在另一个星球上产生的一个离子的完美孪生。

 

麻省理工学院林肯实验室陷阱离子与光子学小组的成员 Robert Niffenegger 博士领导了实验,并且是《自然》杂志的第一作者 。他解释了为何将锶用于 MIT 芯片而不是(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,紫色和紫外线中具有很高的损耗。因为锶离子不需要紫外线来进行光学控制,所以用锶离子代替了 ions。”
 


图:该图显示了霍尼韦尔功能强大的零陷离离子量子计算机中的激光器

 

离子的所有操作都在包含捕获离子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影响,并防止与空气分子发生碰撞。除了产生离子并将其移动到位外,激光还对每个量子位执行必要的量子操作。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,使其穿过真空室窗口并到达离子上。

 

如今,在量子计算机中使用的最多的捕获离子量子位是 32。要使量子计算机真正有用,就需要数百万个量子位。当然,这意味着还需要成千上万个激光器来控制和测量数百万个离子量子位。当使用两种类型的离子(例如霍尼韦尔机器中的 and 和钡)时,问题会变得更大。当前控制激光器的方法使建造几百个量子位以上的俘获离子量子计算机面临挑战。

 

 图:光纤将激光直接耦合到 MIT 离子阱芯片中。使用时,芯片被冷却

 

麻省理工学院的研究人员开发了另一种方法,而不是借助光学器件并从镜子上反射激光以将光束对准真空室。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,并将其聚焦在芯片上的各个离子上。

 

俘获离子锶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,范围从近紫外到近红外。每种颜色对离子量子位执行不同的操作。麻省理工学院的新闻稿描述了这种新发展方式:“林肯实验室的研究人员已经开发出一种紧凑的方法,可以将激光传输到捕获的离子上。在《自然》杂志上,研究人员描述了一种插入到离子捕获芯片中的光纤模块,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]的光可以穿过芯片并释放出来,从而撞击其上方的离子。”
 


图:光通过进入 ... [+]的光纤耦合到 MIT 集成光子捕获芯片


 
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 的说法,“将纤维块阵列对准芯片上的波导,然后像进行外科手术一样使用环氧树脂毡。这是一个非常微妙的过程。我们具有大约半微米的公差,并且需要冷却到 4 开尔文。”

 

我问 Niffenegger 博士对他的团队发展的长期影响有何想法。他的回答很有趣。  

 

“我认为量子计算领域的许多人认为已经设置好了电路板,并且定义了所有领先的技术。我认为,我们的演示以及结合捕获离子量子位控制的其他工作,可以将游戏推向新的高度。让某些人感到惊讶和惊讶,也许这些规则不是他们想的。但我真的只是希望它能激发出更多开箱即用的想法,这些想法可能使量子计算技术突破实际应用。”

 

注意事项:

1. 将光波导集成到离子阱中代表了朝着构建具有数千到数百万个量子比特的有用量子计算机这一目标迈出的一步。 

 

2. 麻省理工学院的技术还为便携式俘获离子量子传感器和时钟提供了开发路径。

 

3. 集成的光子学固有地抗振动。使用外部激光,振动会导致脉冲漏掉离子。集成光学元件应消除振动的大部分影响。

 

4. 集成光子学所提供的稳定性将帮助量子位保持更长的量子状态,从而可以执行更深,更复杂的计算。

 

5. 最初,我担心由于光栅耦合器为适应不同波长而可能做出的折衷而导致的光功率损失。请记住,有四种纤维和六种颜色。六个激光波长中最短的是 405 nm,最长的是 1092 nm。Niffenegger 博士指出,有用于最短和最长波长的单独光栅。他还说,存在一些功率损耗,但它们位于光从进入光波导的路径到出射耦合器光栅的路径。尽管光功率损失很小,但是现有衍射光栅提供的更紧密的聚焦为离子操作提供了足够的功率。

 

Niffenegger 博士和麻省理工学院的研究团队将把未来的研究重点放在减少由于离子量子位的运动状态加热而引起的两个量子位门控误差上。具有集成光子芯片的阱的离子加热速率比没有光子的传统表面阱高得多。