33、离子阱量子计算与电磁陷阱技术解析

离子阱量子计算与电磁陷阱技术解析

1. 离子阱量子计算基础

离子阱量子计算在量子信息处理领域具有重要地位。实现量子计算机的实验需要对物理系统的动力学进行相干控制，同时要使系统与环境的退相干影响隔离。射频陷阱中的激光冷却离子晶体几乎能完美满足这些要求。

对于量子信息处理，线性陷阱几何结构最为合适。在这种结构中，离子在径向方向上被横向射频场的有效势强烈约束，而轴向约束则由纵向的附加静态势阱提供。当离子数量较少时，也可以采用其他陷阱几何结构。

离子阱的一个重要应用是超高精度光谱学。为了消除跃迁频率的多普勒展宽，会对离子的运动进行激光冷却。在足够低的温度下，粒子会在类似晶体的结构中占据固定位置。若径向约束强于轴向约束，离子会沿着陷阱轴排列成线性链，离子间距由它们之间的库仑斥力和静态轴向势的平衡决定，通常在几十微米的量级，这足以让激光束对单个离子进行寻址。

量子信息可以存储在单个离子的两个内部（电子）状态中，以此实现一个量子比特。为了在长时间计算过程中保持相干性，这两个能级的辐射寿命应足够长。合适的选择包括基态和亚稳态、两个亚稳态、基态的两个超精细分量或基态的两个塞曼子态，这些状态都能抵抗电偶极子衰变。例如，$^9Be^+$、$^{25}Mg^+$ 和 $^{40}Ca^+$ 都是合适的候选离子。

为了以明确的方式处理量子信息，需要仔细准备和修改离子链中每个单个离子的电子量子态。这可以通过光学技术实现，用激光束单独寻址链中的任意离子。例如，为了相干地修改单个离子量子寄存器的内容（单量子比特旋转），会应用激光诱导的量子比特状态之间的拉比循环。根据所使用的能级方案，会采用双光子拉曼跃迁或单光子跃迁。

在计算结束时读取结果，需要确定量子