通过片上光纤实现量子计算和传感的离子控制技术

当你走进一个量子实验室，科学家们在那里捕捉离子，你会发现长凳上摆满了镜子和透镜，所有的聚焦激光都用来击中“被困”在芯片上方的离子。通过使用激光来控制离子，科学家们已经学会了利用离子作为量子比特，或量子比特—量子计算机中的基本数据单位。但是，这种激光装置现在阻碍了研究，使人们很难用几个以上的离子进行实验，也很难将这些系统带出实验室进行实际使用。

现在，林肯实验室的研究人员已经开发出一种将激光传输到被捕获离子上的紧凑方法。在《自然Nature》杂志上发表的一篇论文中，研究人员描述了一种插入离子阱芯片的光纤块，将光耦合到芯片本身制造的光波导上。通过这些波导，多个波长的光可以穿过芯片并释放出来，击中上面的离子。

如上图所示光纤将激光直接耦合到离子阱芯片中。使用时，芯片在真空室中低温冷却，芯片上的波导将光传送到芯片表面上方的离子，用于执行量子计算。

论文作者、林肯实验室量子信息和集成纳米系统组的高级职员 Jeremy Sage说：“这一领域的许多人都清楚，传统的方法，使用镜子和透镜等自由空间光学技术，只会走到这一步。如果光被带到芯片上，它可以被引导到许多需要它的地方。许多波长的集成传输可能会导致一个非常可扩展和便携的平台。我们首次证明这是可以做到的。”

多种颜色

计算捕获离子需要精确地独立地控制每个离子。自由空间光学可以很好地控制一维短链中的一些离子。但是在一个更大的或二维的原子团中击中一个离子，而不击中它的邻居，是非常困难的。当想象一台实用的量子计算机需要数千个离子时，这种激光控制的任务似乎不切实际。

这个迫在眉睫的问题让研究人员找到了另一种方法。2016年，林肯实验室和麻省理工学院的研究人员展示了一种内置光学元件的新芯片。他们将一束红色激光聚焦到芯片上，芯片上的波导将光传送到光栅耦合器上，这种耦合器是一种隆隆的长条，用来阻止光线并将其引导到离子上。

红光对于做一个称为量子门的基本操作至关重要，这是团队在第一次演示中所做的。但是，要完成量子计算所需的一切，需要多达六个不同的彩色激光器：准备离子，冷却离子，读出它的能量状态，并执行量子门。利用这一最新芯片，研究小组将其原理证明扩展到了其他这些所需波长，从紫罗兰到近红外。

未来，该团队将致力于建造离子阱阵列，如图所示，以探索基于该技术的实用量子计算机的可行性。