前沿 | MIT将量子信息处理系统集成到单芯片上，实用量子计算迈出重要一步
作者：Larry Hardesty
量子计算机是一种能以远比传统计算机更快的速度执行某些计算的尚未实现的设备。量子计算的计算方式和经典的表示 0 或 1 的计算方式不同，量子计算机由量子位（qubit）构成，量子位可以同时表示 0 和 1。
尽管带有多达 12 个量子位的量子系统已经在实验室中得到了证实，但创造足够复杂的能够执行有价值的计算的量子计算机还需要对量子位技术进行小型化，这就像晶体管的小型化带来了现代计算机一样。
囚禁离子（trapped ions）是得到了最广泛研究的量子位技术，但它们在历史上一直需要庞大而复杂的硬件设备。在今天的 Nature Nanotechnology 中，MIT 和 MIT 林肯实验室的研究者发表论文称又向实用化的量子计算机迈出了重要的一步，该论文描述了一种新型的原型芯片，该芯片可以将离子囚禁在一个电场中，以及使用内置的光学器件将激光引导至每一个离子。
「如果你看一下传统的装配方法，它是一个内部真空的桶，在里面就是用来囚禁离子的『笼』。然后基本上就需要一整个实验室的外部光学设备来将激光束引导到离子的装配上。」该论文的高级作者之一、MIT 电气工程教授 Rajeev Ram 说，「我们的愿景是将这整个外部实验室小型化到一块芯片上。」
装进笼子里
林肯实验室的这个量子信息与集成纳米系统组（Quantum Information and Integrated Nanosystems）是几个开发更简单更小型的所谓「表面陷阱（surface traps）」的研究团队之一。一个标准的离子阱（ion trap）看起来就像是一个小笼子，只不过它的围栏是可以产生电场的电极。离子在这个笼子的中央进行排列，与围栏平行。而表面陷阱则是电极嵌入在其表面的芯片。其离子悬浮在这些电极上方 50 微米高度。
笼式陷阱有尺寸上的本质限制，但表面陷阱理论上可以无限地扩展。在当前的技术水平下，它们仍然必需要被放置在真空室中，但它们可以允许在内部配置远远更多的量子位。
「我们相信为了将这些系统扩展到大规模量子计算所需的非常大的离子数量上，表面陷阱是一项关键的技术。那些笼式陷阱的效果非常好，但它们只能在 10 个或 20 个离子上工作，差不多到那个水平就是最大的了。」Jeremy Sage 如是说，他与 John Chiaverini 一起领导着林肯实验室的囚禁离子量子信息处理项目（trapped-ion quantum-information-processing project）。
而执行量子计算需要对每一个量子位都有独立的准确能态（energy state）控制。囚禁离子量子位使用激光束进行控制。在一个表面陷阱中，离子之间的距离只有 5 微米。使用外部激光射击一个离子时而不会影响到它附近的离子是非常困难的；只有很少的研究团队曾经尝试做到了这一点，然而他们的技术并不适用于大规模系统。
集成到板上
这是 Ram 的团队所做到的。Ram 和 Karan Mehta（MIT 的电气工程研究生，本论文的第一作者）设计并建立了一个能够引导激光到单个离子的片上光学部件。Sage、Chiaverini 以及他们林肯实验室的同事 Colin Bruzewicz 和 Robert McConnell 重新改进了他们的表面陷阱，使其能在不减损性能的情况下适配集成光学。同心协力，两个团队设计并执行了实验，以测试这一新系统。
Ram 说，「对表面电极陷阱而言，激光束来自于一个光学台（optical table）并进入这一系统，所以我们总会担心光束会震动或移动。有了光子集成（photonic integration），你就不需要担心光束点的稳定性，因为它们也都在电极所在的同一芯片上。所以一切都是彼此固定的，它是稳定的。」
研究者的新型芯片建立在石英基板上。在石英顶端是一个氮化硅「导波管（ waveguide）」网络，能在芯片上引导激光。导波管上面是一个玻璃层，顶部是一个铌电极。在电极中孔洞的下方，导波管分解成一系列连续的凸脊（ridges），一个精准设计的「衍射光栅」引导光点穿过孔洞，并聚焦足够狭窄的光束以瞄准单个离子，它处于芯片表面的 50 微米以上。
愿景
使用这一原型芯片，研究者评估了衍射光栅和离子阱的表现，但没有机制能够改变传达到每一离子上的光子数量。在接下来的工作中，这些研究者将会研究在衍射光栅中加入光调制器，以便于不同量子位能同时收到不同的、强度随时间变化的光子。这个工作将使得编程量子位更加有效，这在实用量子信息系统中非常重要，因为系统所能执行的量子操作的数量受到了量子位「相干时间（coherence time）」的限制。
「据我所知，这是在同一块芯片上集成光波导作为离子阱的首次尝试。这也是将离子阱量子信息处理器（QIP）扩展成最终包含足以进行有用的量子信息处理的量子位数量上所迈出的重要一步。」牛津大学的物理学教授 David Lucas 说，「众所周知，在囚禁离子量子位上能够取得破纪录的相干时间，而且在小数量的量子位上能够进行非常精准的操作。但值得争论的是，要实现将系统扩展到更大数量的量子位的技术，哪个最重要的领域的哪些过程需要去做。这正是这个研究正在努力解决的需求。」
Lucas 补充说：「当然，认识到这仅仅是开始的演示也是非常重要的。但要相信这一技术能够获得显著的改善，这是很有希望的。作为第一步，这是一项非常好的成果。」
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