37、冷囚禁离子量子计算的理论基础与实践探索

冷囚禁离子量子计算的理论基础与实践探索

1 量子计算与冷囚禁离子系统概述

量子计算机是一种能够将数据存储在量子力学二能级系统网络中的设备，如自旋 - 1/2 粒子或二能级原子。与传统数字计算机不同，量子计算机中的每个数据寄存器（或“量子比特”）可以处于两个状态的不确定量子叠加态。这种特性使得量子计算机在数据处理中具备执行逻辑运算的强大能力，尤其是对数字的量子力学叠加态进行操作。

目前，实现量子计算机最有前景的硬件似乎是 Cirac 和 Zoller 设计的冷囚禁离子系统。该系统由一串存储在线性射频陷阱中的离子组成，这些离子被充分冷却，其运动由于库仑力相互耦合，具有量子力学性质。每个量子比特由每个离子的两个内部能级构成，通过激光来操纵这些状态的量子力学概率振幅，并借助离子集体运动量子的激发或去激发来实现条件二量子比特逻辑门。

选择离子内部能级有两种不同的可能性：
- 第一种是离子的基态和亚稳激发态（或更准确地说，这些状态的子能级），这种“单光子”方案在概念和实验上较为简单。
- 第二种是基态的两个近乎简并的子能级，需要两个激光通过第三能级实现拉曼跃迁，即“拉曼方案”。该方案具有两个近乎简并状态之间自发衰变率极低以及对激光相位波动有较强抗性的优点。

2 线性陷阱中离子的平衡位置

考虑陷阱中的 N 个离子链，假设离子在 y 和 z 方向上被强束缚，在 x 方向上处于弱简谐势中。第 m 个离子的位置用 xm(t) 表示，其运动受到陷阱电极的整体简谐势和其他离子库仑力的影响。离子链的势能表达式为：
[
V = \sum_{m = 1}^N \frac{1}{2} M \nu^2 x_m(t)^2 - \sum_{m =