通过片上光纤实现量子计算和传感的离子控制技术

“有了这些波长，我们就能够执行控制被捕获离子所需的基本操作，”这篇论文的作者John Chiaverini说。他们没有在其中演示的一个操作，是两个量子比特的门，这是由苏黎世联邦理工学院的一个团队使用类似于2016年工作的芯片演示的，并在同一期《自然Nature》杂志的一篇论文中进行了描述。”这项工作与我们的合作表明，你已经具备了开始建造更大的离子阱阵列所需的一切条件，”Chiaverini补充道。

光纤

为了实现从一个波长到多个波长的飞跃，该团队设计了一种方法，将光纤块直接连接到芯片的侧面。该模块由四根光纤组成，每根光纤都具有特定的波长范围。这些光纤与直接刻在芯片上的相应波导排列在一起。

“把光纤块阵列对准芯片上的波导管，涂上环氧树脂，感觉就像在做手术。这是一个非常微妙的过程。我们有大约半微米的耐受性，它需要在冷却到4开尔文的温度下存活下来，”领导实验的Robert Niffenegger说，他是这篇论文的第一作者。

在波导管的顶部有一层玻璃。在玻璃的顶部是金属电极，它们产生电场，将离子固定在适当的位置；在释放光的光栅耦合器上方，金属上会切割出孔。整个装置是在林肯实验室的微电子实验室制造的。

设计能以低损耗将光传输到离子上，避免吸收或散射的波导是一个挑战，因为损耗会随着波长的增加而增加。“这是一个开发材料，制作波导图案，测试它们，测量性能，然后再试一次的过程。”Sage说：“我们还必须确保波导材料不仅能与必要波长的光一起工作，而且不会干扰捕捉离子的金属电极。”。

可扩展和便携

该团队现在正期待着他们能用这种全轻集成芯片做些什么。首先，“创造更多，”Niffenegger说,“将这些芯片拼接成一个阵列，可以将更多的离子聚集在一起，每一个离子都能被精确控制，从而打开通向更强大量子计算机的大门。”

Daniel Slichter是美国国家标准与技术研究所的一名物理学家，他没有参与这项研究，他说：“这项易于扩展的技术将使具有许多激光束的复杂系统能够进行并行操作，所有这些系统都能自动对齐，并且对振动和环境条件具有鲁棒性，在我看来，这将是至关重要的用于实现具有数千个量子比特的离子阱量子处理器。”

这种激光集成芯片的一个优点是它固有的抗振动能力。对于外部激光器，激光器的任何振动都会导致它错过离子，就像芯片的任何振动一样。现在激光束和芯片耦合在一起，振动的影响被有效地消除了。

这种稳定性对于离子维持“相干性”，或者作为量子比特运行足够长的时间来计算它们是很重要的。如果被捕获的离子传感器要变得便携也很重要。例如，基于捕获离子的原子钟可以比现在的标准精确得多，并且可以用来提高GPS的精度，GPS依赖于卫星上携带的原子钟的同步。

Sage 说：“我们认为这项工作是科学和工程之间的桥梁，它为学术界和工业界带来了真正的优势。”弥合这一差距是麻省理工学院量子工程中心的目标，Sage 是该中心的主要研究员。Sage说：“我们需要量子技术强大、可交付、用户友好，让那些没有量子物理学博知识背景的人使用。”

同时，研究小组希望这种装置能帮助推动学术研究。“我们希望其他研究机构也能使用这个平台，这样他们就可以专注于其他挑战，比如在这个平台上编程和运行包含离子的算法。我们看到它打开了进一步探索量子物理的大门，”Chiaverini说。

原文链接：https://phys.org/news/2020-10-ions-quantum-on-chip-fiber-optics.html