36、40Ca⁺离子串用于量子门的研究

40Ca⁺离子串用于量子门的研究

1. 离子阱与量子计算概述

离子阱为孤立量子系统提供了理想环境，像单原子被捕获并激光冷却就可处于其中。离子存储技术长期应用于超高精度光谱学和频率标准的开发。近年来，单离子被用于展示和测试量子力学的一些有趣特性。通过激光可改变被捕获离子的内部电子态和运动态，内部叠加态的退相干在很长的相互作用时间内几乎可以忽略不计。

为探索这些特性，人们提出了几种在陷阱中制备非经典运动状态的方案，其实验实现有望进一步提高光谱测量的精度。在对单离子量子态实现近乎完美控制后，研究重点转向了少数离子且相互作用可控的系统。对其整体量子态的操作包括制备没有经典对应物的纠缠态，这为新实验开辟了许多前景，如使用贝尔态和GHZ态进行测量，还能更详细地研究量子测量和退相干过程。

2. 量子门与40Ca⁺离子的优势

量子门是量子计算机的基本构建模块，其操作依赖于离子内部自由度（电子激发）和集体运动（振动激发）的纠缠。量子计算机使用由量子比特（qbits）组成的量子寄存器工作，可通过门操作进行类似经典比特的操作。经典异或门的量子力学模拟——受控非门操作，可以通过线性离子串和一系列定义明确的激光脉冲来实现。研究表明，作用于两个离子的受控非门是通用量子门的一种实现方式，原则上仅使用双离子量子门和单比特旋转就可以进行通用计算。

许多离子种类都用于离子捕获，线性陷阱中的离子串已在Be⁺离子和Mg⁺离子中得到实验验证。然而，40Ca⁺被认为是实现量子门最有前途的候选者之一，原因在于其质量、能级结构、跃迁频率和宽度等特性。此外，量子门对线性陷阱有特定要求，如需要从多个方向进行光学访问，而之前的实验并未完全满足这些要求。

3. 40Ca