2025年第4篇3D打印Nature：解锁量子计算的稳定“囚笼”！

9月3日，劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)，加州大学伯克利分校、河滨分校和圣巴巴拉分校的研究人员，在Nature发表学术研究，首次利用3D打印技术将四极离子阱小型化，这是量子计算领域的一次重大突破。3D打印技术参考注意到，论文第一作者之一是中国学者Shuqi Xu。

右一为文章共同第一作者Xiaoxing Xia

离子阱的作用与小型化意义

四极离子阱有四个电极，它们产生振荡电势，通过覆盖离子的固有振动来捕获离子，类似于球类平衡挑战游戏中，通过抬起或放下方形布的不同末端，来将球体保持在布的表面。这些离子阱可以将离子束缚数小时，直到它们逃逸。如果离子冷却到基态（能量最低的状态），它们就可以充当量子比特，即量子计算机中最基本的信息单位。

四极离子阱是实现量子比特操控和量子计算的重要技术。其装置的小型化，可使量子计算系统更高效、更稳定、更经济，对量子计算的发展具有重要推动作用。

行业挑战—性能与可靠性、可扩展性

量子比特需要尽可能长时间保持相干（量子态），并尽可能可靠地运行，以便研究人员有效地编码数据并执行操作。与其他方法相比，捕获离子具有更长的相干时间，并且工作温度更高——需要用激光将离子冷却到基态，而不是低温制冷。

然而，性能和可扩展性之间存在着权衡。在工业界，研究人员通常使用带有表面电极的“平面”离子阱，这种离子阱可以很好地扩展，成为大规模信息处理系统的构建块，但传统的3D设计性能更佳。

最大的误差源是噪声，即与环境之间不受控制的相互作用，这些相互作用会导致量子系统的行为不可靠，而离子阱的表面目前是主要的噪声源。

传统3D离子阱、表面离子阱和3D打印的垂直离子阱 

3D打印技术方案与设计突破

研究团队在3D打印中看到了解决这一问题的潜在方案。他们设计并微型化的毫米级离子阱，采用超高分辨率双光子聚合(2PP)3D打印技术制造，能够限制钙离子，其频率、错误率和相干性可与最先进的技术相媲美，并可用于执行单量子比特和双量子比特操作。

3D打印离子阱的过程

材料工程部（MED）工程师兼共同第一作者夏晓星说道，“3D打印技术为我们提供了在高频下有效捕获离子所需的限制，而且我们还可以在同一芯片上制造多个离子阱，这与集成电路发明之前人们使用笨重的单个晶体管时的情况类似。3D打印技术可以让我们超越这些传统的离子阱，进入像我们目前的处理器这样集成度更高的系统。”

3D打印离子阱的SEM图像

该团队可以在14小时内从零开始可靠的3D打印出一个微型离子阱，如果只在现有基板上打印电极，则只需30分钟。快速制作原型的能力以及几乎任何配置的打印灵活性也让他们有机会尝试新的设计，例如基于经典3D设计的平面阱，该团队开发、3D打印、微型化，并用于在低温和室温下捕获离子。

“我们极大地扩展了可实现的离子阱几何形状范围，并提高了其复杂性，”加州大学伯克利分校量子物理学教授Hartmut Haeffner表示。“随着设计空间的扩大，我们现在可以以截然不同的方式思考如何优化和小型化我们的离子阱。”

性能验证—计算更为可靠和高效

3D打印的离子阱能够以比常规3D离子阱和平面离子阱更高的频率限制钙离子，从而在电极之间产生深谐波势，从而稳定系统并提高相干性。这些离子阱通过限制两个每隔几分钟交换位置的钙离子来证明其稳定性——与最先进的技术相媲美。

该团队还成功将两个量子“纠缠”在一起，操作的准确率达到了98%，同时执行了单量子比特旋转并测量了运动加热速率，这量化了捕获离子量子门的主要误差源之一。

表面离子阱和3D打印的垂直离子阱的性能比较

工程师兼合著者Abhinav Parakh说道，“为了能够驾驭（量子计算的）指数级计算能力，我们需要让多个离子相互纠缠，让它们靠近，进行计算，然后将它们拉开——而这可以通过3D打印结构高效地完成。”

未来集成与应用前景

随着设计的不断演进，该团队的目标是将光子学和电子学集成在同一芯片上，使整个系统更加高效、紧凑。贝克还希望探索如何使量子计算机更加可靠、更易于控制。

“这种技术变革将使离子阱从仅能处理少量离子的工作状态，发展到能够进行计算，并最终有望用于计算机。”论文作者、LLNL物理学家Kristi Beck表示。

微型离子阱还可用于传感和超精密原子钟。如果激光冷却系统能够成功扩展并集成到芯片上，它们将成为精密计量领域紧凑型低功耗质谱仪的基础。夏晓星表示，“量子计算是3D打印技术发挥价值的重要领域，因为它们拥有其他制造技术无法提供的超高分辨率、精细特征和复杂3D几何形状制造能力。”#增材制造 #3D打印 

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