点亮离子阱：光纤内置在用于量子计算的芯片中

光纤将激光直接耦合到离子阱芯片中。使用时，将芯片在真空室内冷却至低温，并且芯片上的波导将光传递到捕获在芯片表面上方的离子，以执行量子计算。

内置在芯片中的光纤可以提供控制离子所需的所有激光，以进行量子计算和传感。

走进一个量子实验室，科学家将在其中捕获离子，您会发现台式机上装满了镜子和透镜，所有聚焦激光都将离子“撞击”在芯片上方的适当位置。通过使用激光控制离子，科学家们学会了将离子作为量子位或量子位来利用，量子位是量子计算机中数据的基本单位。但是这种激光设置阻碍了研究的开展，因此很难用几种离子进行实验，并且很难将这些系统带出实验室进行实际使用。

现在，麻省理工学院林肯实验室的研究人员已经开发出一种紧凑的方法来将激光传递到捕获的离子上。在《自然》杂志上发表的最新论文中，研究人员描述了一种插入离子阱芯片的光纤模块，该模块将光耦合到芯片本身中制造的光波导。通过这些波导，可以将多种波长的光路由通过芯片，然后释放出来，以击中其上方的离子。

将来，该团队将致力于构建离子阱阵列（如图所示），以探索开发基于该技术的实用量子计算机的可行性。

“对于本领域的许多人来说，很明显，使用反射镜和透镜等自由空间光学器件的传统方法只会走得很远，”林肯实验室《量子信息》和《纽约时报》的资深论文作者杰里米·萨奇（Jeremy Sage）说。集成纳米系统小组。“相反，如果将光线带到芯片上，则可以将其引导到需要放置的许多位置。许多波长的集成交付可能会导致一个非常可扩展的便携式平台。我们第一次展示它可以做到。”

多种颜色

使用捕获的离子进行计算需要独立地精确控制每个离子。自由空间光学器件在控制短的一维链中的几个离子时效果很好。但是要击中较大或二维簇中的单个离子而不击中其相邻离子是极其困难的。当想象一个需要数千个离子的实用量子计算机时，激光控制的这项任务似乎是不切实际的。

这个迫在眉睫的问题使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带有内置光学器件的新型芯片。他们将红色激光聚焦到芯片上，芯片上的波导将光路由到光栅耦合器，光栅发出的一种隆隆声条阻止光并将其引导至离子。

红光对于进行称为量子门的基本操作至关重要，该团队在首次演示中就进行了此操作。但是最多需要六个不同颜色的激光来完成量子计算所需的一切：准备离子，冷却离子，读出其能量状态并执行量子门。利用最新的芯片，该团队将其原理证明扩展到了从紫光到近红外的其余所有所需波长。

所测量的激光束轮廓的动画显示了离子阱芯片中“光栅耦合器”发出的四个波长的激光。黄色表面是芯片顶部的金属电极层，该金属电极层捕获了其上方的离子。

“在这些波长下，我们能够执行控制俘获离子所需的基本操作，”论文的作者约翰·奇维里尼尼（John Chiaverini）说。苏黎世联邦理工学院的一个团队使用类似于2016年工作的芯片演示了他们没有执行的一个操作，即两个量子比特的门，并在同一期《自然》杂志的一篇论文中进行了描述。Chiaverini补充说：“这项工作与我们的工作结合在一起，表明您拥有开始构建更大的捕获离子阵列所需的一切。”

光纤

为了实现从一个波长到多个波长的跨越，该团队设计了一种将光纤模块直接粘合到芯片侧面的方法。该模块由四根光纤组成，每根光纤特定于特定的波长范围。这些光纤与直接在芯片上构图的相应波导对齐。

“使纤维块阵列与芯片上的波导对齐，然后像进行手术一样涂抹环氧树脂毡。这是一个非常微妙的过程。我们大约有一个半微米的公差，它需要在冷却至4开氏温度后才能幸存。”主持该实验且是该论文的第一作者的Robert Niffenegger说。

在波导的顶部是一层玻璃。在玻璃的顶部是金属电极，它们产生的电场将离子固定在适当的位置。从光栅耦合器上方的金属上切出多个孔，然后将光释放出来。整个设备是在林肯实验室的微电子实验室制造的。

设计一种可以以低损耗将光传递给离子，避免吸收或散射的波导是一项挑战，因为损耗会随着蓝色波长的增加而增加。“这是开发材料，对波导进行构图，对其进行测试，测量性能并再次尝试的过程。我们还必须确保波导的材料不仅能够在必要的光波长下工作，而且还必须确保它们不会干扰捕获离子的金属电极。” Sage说。

可扩展和便携式

团队现在期待着使用这种完全集成了光的芯片可以做什么。Niffenegger说，首先，“做更多”。“将这些芯片堆叠成一个阵列可以聚集更多的离子，每个离子都可以精确控制，从而为功能更强大的量子计算机打开了大门。”

美国国家标准与技术研究院的物理学家丹尼尔·斯利希特（Daniel Slichter）并未参与这项研究。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并行运行，并且能够自动对准并在振动和环境条件下保持稳健，在我看来，这对于实现具有数千个量子位的俘获离子量子处理器至关重要。”

这种激光集成芯片的一个优点是它固有地抗振动。使用外部激光器时，激光器的任何振动都会导致其遗漏离子，而芯片的任何振动也会遗漏离子。现在，激光束和芯片已耦合在一起，振动的影响有效地消除了。

这种稳定性对于维持离子的“相干性”或以足以与它们进行计算的量子位一样重要。捕集离子传感器的便携性也很重要。例如，基于捕获离子的原子钟可以比现在的标准更加精确地保存时间，并且可以用来提高GPS的精度，而GPS的准确性依赖于卫星上携带的原子钟的同步。

Sage说：“我们将这项工作视为科学与工程学融合的典范，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，萨奇（Sage）是该中心的主要研究人员。贤者说。

同时，团队希望该设备可以帮助推动学术研究。“我们希望其他研究机构使用该平台，以便他们可以专注于其他挑战，例如，在此平台上编程和运行带有被困离子的算法。我们看到它为进一步探索量子物理学打开了大门。”

参考：RJ Niffenegger，J。Stuart，C。Sorace-Agaskar，D。Kharas，S。Bramhavar，CD Bruzewicz，W。Loh，RT Maxson，R。McConnell，D。Reens撰写的“离子量子位的集成多波长控制” ，GN West，JM Sage和J.Chiaverini，2020年10月21日，自然.DOI：10.1038 / s41586-020-2811-x