照亮未來:離子阱量子計算機

2020-11-24 澎湃新聞

原創 長光所Light中心 中國光學 收錄於話題#集成光學9個

撰稿 | Jack (西湖大學 博士生)

近年來，量子計算發展突飛猛進，已經成為新一輪科技革命和產業變革的前沿領域。無論是學術界、產業界還是政府，全世界諸多國家都已經認識到量子計算對新一輪科技革命和產業發展的重要意義，並投入了眾多資源來推動這一領域的發展。目前國際上實現量子計算的主流路徑有多個，包括超導量子計算、半導體量子計算、離子阱量子計算、原子量子計算、核自旋量子計算和拓撲量子計算等等。

在這眾多實現路徑當中，離子阱量子計算以其長相干時間和高計算精度成為實現高可靠性量子信息處理器和高精度光學離子鐘的有力候選方案。

但是這一方法目前發展面臨的最大瓶頸是其集成上存在很大難度，系統難以擴展。

正如圖1所示，在離子阱量子實驗室的實驗臺上往往擺滿了各種反射鏡和透鏡，用來將雷射聚焦從而使離子陷俘到某個位置上。儘管通過利用雷射來控制離子阱，科學家們已經學會了如何使用離子阱來製作量子計算機的基本數據單元--量子比特（量子位）。

圖1. 傳統幾何光學離子阱實驗平臺

圖源：中國科學院長春光機所，Light學術出版中心，新媒體工作組

然而這種基於傳統幾何光路的雷射裝置現在卻正在拖累這個領域的發展，因為這種基於傳統幾何光路的方法在實驗上很難同時實現多個離子的陷俘和控制，同時這些實驗裝置體積較大、易受擾動，很難集成從而走出實驗室，走向實用化、工程化。

近期，來自美國麻省理工學院林肯實驗室Lincoln Laboratory的研究人員首次通過使用集成波導、光柵耦合器和表面電極實現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為題發表在Nature。

在該論文中，研究人員展示了一種光纖光學模塊，這種模塊可以集成到離子阱晶片上，從而將光耦合到刻蝕在晶片上的光波導中。通過這些光波導，不同波長的光可以在晶片上導波最終被引導到晶片上離子阱的位置，從而實現量子計算。最重要的是，這種方法實現了離子阱量子晶片的集成化和可擴展化，為離子阱量子計算走出實驗室、走向進一步的大規模產業應用鋪平了道路。

圖2. 光纖光學可以將光直接耦合到離子阱晶片上。整個晶片被放置在一個低溫真空腔中，晶片上的波導結構將光引導到晶片上方陷俘離子的位置進行量子計算

圖源：麻省理工學院，林肯實驗室

多頻率雷射集成

基於離子阱進行計算需要對每個離子進行精密並且各自獨立的控制。當在短距離的一維鏈上控制幾個離子的時候，自由空間幾何光路可以做的很好；但是如果要在一個很大的二維的陣列中只改變一個離子的狀態而不影響其他離子，傳統的幾何光路實現起來非常困難。考慮到實際的量子計算機往往需要數以千計的量子位，這種傳統幾何光路控制的方法難以實現。

這個瓶頸促使研究人員去尋找其他可能的方法。在2016年，林肯實驗室和MIT的研究人員展示了一種新型集成光學晶片。他們將一束紅色雷射聚焦到光學集成晶片上，晶片上的波導將光引導到一個光柵耦合器中，光柵耦合器可以起到光學減震帶的作用，將光停止下來同時把光引導到離子的位置處。紅光是執行量子計算基本操作量子門的關鍵，該研究團隊在演示中展示了基於紅光的量子門操作。

但是要執行全部量子計算，需要六種不同顏色的雷射：製備離子、將其冷卻、讀取它的每個能量狀態、和執行量子門。有了這樣一個最新的晶片，該團隊已經將他們的概念驗證推廣到了餘下幾種從紫外到紅外的波長。

圖3. 這個動畫演示了晶片中的光柵耦合器通過發出四種波長的雷射來實現對離子阱的操控和測量。動畫中的黃色表面是晶片頂部的金屬電極層。

圖源：麻省理工學院，林肯實驗室

論文的另外一位作者John Chiaverini 表示，「基於這些波長，我們可以執行離子阱所有基本操作」 。他們未能展示的一項操作——雙量子比特門——被來自ETH的一個團隊驗證。ETH的團隊使用的是類似於他們2016年工作的晶片，也在這一期Nature上被報導。Chiaverini補充道，「他們（ETH）的工作和我們的結合在一起向人們證明了這種方法可以用來製備大規模的離子阱陣列。」

光纖光學

為了能夠從一個波長提升到多個波長，該團隊設計了一種方法可以將光纖光學模塊直接製備在晶片上。這個模塊有四個光學光纖組成，每個光纖對應於一個特定的波長範圍。這些光纖與晶片上刻蝕的不同波導結構分別耦合在一起。

論文的第一作者，同時也是文章中實驗部分的主要完成者Robert Niffenegger表示，「將光纖模塊耦合到晶片上的波導結構，同時塗覆環氧樹脂感覺就像我們是在進行外科手術。這是一個非常精密的工作，我們這個離子阱量子晶片加工的可接受誤差範圍只有0.5微米，並且要保證這個晶片在4K(-269℃)的低溫下能夠正常工作。」

圖4. 利用單模波導和光柵耦合器來引導光束聚焦。

圖源：Nature 586, 538–542(2020) Extended Data Fig. 1

研究人員在波導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。

因為波長越小，損耗往往越大，所以要讓光以低損耗傳遞給離子，同時避免介質的吸收或散射是一個很大的挑戰。

參與實驗的Sage說，「這是一個開發材料、繪製波導圖形、測試樣品、測量性能，然後再嘗試的過程。我們還必須確保波導材料的工作不僅與所需的光波長一致，同時不會干擾捕捉離子的金屬電極。」

可擴展性和便攜性

對於這種晶片的應用前景，論文作者之一Niffenegger表示，「未來我們可以將這些晶片組合成為陣列來集成更多的離子阱，使得每個離子阱都可以被精確控制，從而為更強大的量子計算機打開大門。」

來自美國國家標準和技術研究所的物理學家Daniel Slichter對這一重要突破評論道，「這種可擴展的技術將使擁有許多雷射的複雜系統實現並行操作，同時對于振動和環境條件具有很強的抗幹擾能力，這是對於實現擁有成千上萬離子阱的量子處理器至關重要。」

這種光學集成晶片的優點是它的強大抗幹擾能力。對於實驗臺上的雷射器，任何振動都有可能使得離子阱的操控出現錯誤。而當雷射束和晶片耦合在一起，振動的影響就可以有效地消除。

這種抗幹擾能力對於提高離子阱的「相干性」，或者延長量子位的計算時間非常重要，同時也能極大提高離子阱傳感器的便攜性。例如，基於離子阱的原子鐘可以比現在的標準更精確地計時，還可以提高依靠衛星上原子鐘同步的全球定位系統(GPS)的精度。

圖5. 集成到晶片上的光纖光學可以提供控制離子阱所需所有的雷射光束，這樣的離子阱可以用在量子計算和傳感上。

圖源：麻省理工學院，林肯實驗室

論文作者之一Sage表示，「我們將這項工作視為連接科學與工程的成功範例，因為這一突破對於學術界和產業界都有很大的推動作用。我們需要讓量子技術變得魯棒和便攜，同時也要讓非量子物理背景的人員易於使用它」。同時，該團隊希望這個平臺可以幫助推動學術研究。

論文另外一位作者Chiaverini表示，「我們希望有更多的研究機構使用這個平臺，這樣他們就可以專注於其他的挑戰——例如，在這個平臺上編程和運行基於離子阱的量子算法，從而進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. Nature 586, 538–542 (2020).

論文地址

https://doi.org/10.1038/s41586-020-2811-x

【】

參考資料

Lighting up the ion trap, Kylie Foy | Communications & Community Outreach Office, Lincoln Laboratory, MIT

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☞ 本文編輯：趙陽

☞ 來源：中國科學院長春光機所，Light學術出版中心

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原標題：《照亮未來：離子阱量子計算機》

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