可扩展量子计算机之路

摘要：与目前的最先进系统相比，工业上有用的量子计算机将需要更多的量子比特（qubits）以及类似或更好的量子比特操作保真度。到目前为止，一些最佳保真度已经在以捕获的原子离子为量子比特的量子计算机中实现。在一种称为量子电荷耦合器件（QCCD）架构的此类计算机设计中，离

证明离子可以在包含集成光子学的陷阱中精确操纵，为大规模捕获离子量子处理器铺平了道路。

与目前的最先进系统相比，工业上有用的量子计算机将需要更多的量子比特（qubits）以及类似或更好的量子比特操作保真度。到目前为止，一些最佳保真度已经在以捕获的原子离子为量子比特的量子计算机中实现。在一种称为量子电荷耦合器件（QCCD）架构的此类计算机设计中，离子在专用区域之间传输，它们在这些区域之间相互作用并进行量子比特操作。得益于其高保真度和灵活的量子比特连接性，QCCD 系统在迄今为止的量子计算基准测试中取得了最佳性能。现在，瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH）的 Carmelo Mordini 和他的同事们基于 QCCD 架构提出了未来可扩展量子计算机的潜在构建模块。

悬浮在真空中的同种原子通常被称为自然界的完美量子比特，因为它们彼此相同，并且可以很好地与外界隔离。然而，原子量子比特也面临着一个挑战：不可避免地需要使用一定量的激光来操纵和读出它们的状态。对于可扩展的 QCCD 架构，一种有前途的策略是在离子阱芯片中使用集成光子元件将光发送到被捕获的离子。这种方法避免了扩大自由空间光学和激光对准系统的物理限制和工程复杂性。然而，该策略很难完全实施，部分原因是集成在阱中的元件会扭曲离子的捕获电势，导致离子传输问题。

Mordini 及其同事在带有表面电极和集成光子学的离子阱中克服了这一挑战。该阱包含两个区域，每个区域都有三个光波导，通向称为光栅耦合器的设备，该设备将激光从阱中射出并将其聚焦在阱表面正上方限制的离子上。三个波导中的一个携带用于初始化和检测离子量子比特状态的光。另外两个发射交叉光束，产生驻波，驱动原子跃迁在两个量子比特状态之间翻转。光栅耦合器通过电极中的窗口面对离子，使离子暴露在下面的介电材料中，激光也会通过该介电材料传播。施加到电极上的电压控制轴向电位，该电位将离子限制在阱的长度上并使离子能够穿梭。穿梭是通过随时间改变这些电压来实现的，从而在阱长度的多个位置产生捕获电位。

量子比特连接要求离子在量子计算过程中移动，同时保持严格控制的量子比特态量子叠加。然而，介电窗口中的光诱导充电会扭曲捕获电位，使离子在行驶过程中颠簸不已。为了确定这些颠簸在运输过程中对离子的冲击程度，研究人员首先将离子冷却到接近其在陷阱中能量最低的运动状态。然后，他们在陷阱的两个区域之间来回移动离子，然后测量其最终运动状态。在没有任何补偿的情况下，颠簸导致离子具有 58 个量子相干激发（离子以其固有频率来回摆动）和 25 个量子非相干激发（随机抖动）。这样的影响足以妨碍高保真量子操作。

Mordini 和同事的下一步目标是补偿这些影响。离子在捕获电位中振荡频率的变化会导致离子加热。因此，对于区域 1，研

究人员开发了一种协议，用于在存在来自介电窗口的杂散电荷的情况下稳定整个离子轨迹上的陷阱频率。他们将这些窗口建模为虚拟电极，使用光谱法测量沿陷阱长度变化的陷阱频率，然后建模会引起此类变化的窗口电压。考虑到建模的窗口电压，该团队生成了一个更新的时间相关电极电压序列，以在离子传输过程中保持陷阱频率恒定。经过该协议的几次迭代后，施加的电压达到了所需的稳定性。

虽然此程序对于补偿区域 1 效果良好，但对于区域 2 则需要另一种方法，因为该区域的介电窗口会承受更多的电荷。对于该区域，Mordini 及其同事将离子沿着与激光束相同的方向移动，然后通过观察离子原子共振频率的多普勒频移来测量离子的速度。研究人员仍然将窗口建模为虚拟电极，并使用建模电压生成一系列修改后的施加电压以用于离子穿梭。然后，他们选择了建模电压，使离子穿梭最平稳，速度变化最小。通过结合区域 1 和 2 的补偿方法，当离子在区域之间穿梭时，该团队将离子的相干激发减少到只有 8 个量子，并将其非相干激发减少到可忽略不计的水平。

所有这些传输工作都是 Mordini 及其同事展示陷阱两个区域之间相干量子比特操作的先决条件。研究人员利用陷阱集成光束，将离子置于区域 1 中的量子叠加态，将其传输到区域 2，操纵区域 2 中的量子比特状态，然后将离子送回区域 1 进行检测。在这个多区域协议中，该团队实现了单量子比特逻辑门超过 99% 的保真度，表明在介电窗口上传输离子的影响得到了充分补偿。研究人员还展示了两个区域中并行、同时的量子比特操作。

随着离子阱量子计算机的尺寸和复杂度不断扩大，需要将更多用于量子比特操纵和读出的装置集成到离子阱芯片中。因此，找到新的方法来表征和减轻这些装置对离子的影响至关重要。Mordini 和同事的工作向前迈出了一大步，首次定量描述了集

成光子元件对离子穿梭程序的影响。这项工作也是首次绘制出这些影响并在离子传输过程中对其进行补偿。未来的步骤是在阱中加入透明导电窗口，以实现光传输，同时屏蔽不必要的充电效应。未来要解决的问题是如何将必要的紫外线光束集成到阱中，而充电效应已被证明更具挑战性。