41、冷囚禁离子的量子计算实验

冷囚禁离子的量子计算实验

1. 引言

早在1980年，单囚禁和激光冷却离子的实验就已开始，当时人们观察到了单个激光冷却的Ba⁺离子的荧光。那时的研究主要受两个目标驱动：一是突破原子钟跃迁光谱学的限制；二是在可控的光学激光场与量子力学系统的相互作用中，操纵和观测单个典型的量子力学系统。那些年最显著的成果之一是在单个囚禁离子上观测到了量子跃迁。关于这些结果的合理解释的激烈争论持续了数年，如今已演变成对量子测量过程和退相干这两个量子力学难题的探讨。当时出色的光谱学研究成果为如今离子标准达到的惊人精度奠定了基础，其分数频率不确定度δν/ν仅为10⁻¹⁵量级。因此，实验室实验甚至可以用来测试基本常数的微小变化。

1994年，Cirac和Zoller意识到，被囚禁在线性Paul阱中的离子为构建基本量子计算机（QC）提供了近乎理想的条件。在由N个离子组成的线性晶体中，每个离子在两个长寿命电子能级|g⟩和|e⟩中存储一个量子信息比特（qubit）。量子逻辑运算（量子门）通过激光 - 离子相互作用来实现。这些qubit的逻辑状态可以表示为α|g⟩ + β|e⟩，其中α和β为复振幅，且满足|α|² + |β|² = 1。尽管量子计算的概念自1980年起就已存在，由Manin开创，后经Feynman、Deutsch等人发展，但当时只有少数人了解。在第14届国际原子物理会议上，Ekert引入了Shor因式分解算法，这激发了量子光学领域理论和实验方面的研究热情。Cirac和Zoller给出了未来量子计算机的首个“蓝图”。

囚禁离子用于量子计算具有以下特定优势：
1. 在量子算法开始前，可以通过激光冷却和光泵浦技术制备离子晶体中每个离子的量子态，从而初始化量子寄存器。这两种技术早在高分辨率激光光谱