39、《捕获离子的确定性纠缠：迈向量子计算的关键一步》

《捕获离子的确定性纠缠：迈向量子计算的关键一步》

1. 引言

量子纠缠作为量子力学中最奇特的现象之一，自爱因斯坦、波多尔斯基和罗森的开创性讨论以来，一直是研究的焦点。近年来，量子纠缠不仅在理论上深化了我们对量子力学的理解，还在量子计算、信息传输、密码学和光谱学等领域展现出巨大的应用潜力。量子计算（QC）利用量子叠加和纠缠的固有并行性，能够比经典计算更高效地完成某些任务。然而，要实现大规模量子计算，需要满足一系列严格的条件，如量子信息载体（量子比特或qubit）之间的可控相干相互作用、与环境的隔离以及对单个qubit的高效测量。

2. 量子纠缠实验的现状与挑战

以往对光子和大质量粒子纠缠态的实验研究大多依赖随机过程。例如，在光子级联、光子下转换和质子散射等过程中产生纠缠，或者在腔量子电动力学（QED）中从大量试验中选择合适的原子对。核磁共振（NMR）在大量样本中的研究也展示了粒子自旋的纠缠，但由于通过热分布平均选择伪纯态，随着qubit数量的增加，信号会呈指数级衰减。这些过程虽然具有可选择性，但并非确定性的纠缠生成方式。确定性纠缠是指当纠缠源开启时，在已知的、用户指定的时间内，以高度的确定性生成给定粒子集合的所需量子态。确定性纠缠与存储纠缠态以供未来使用的能力相结合，对于实现大规模量子计算至关重要。

3. 离子阱量子计算方案

Cirac和Zoller提出了一种利用捕获离子进行量子计算的可扩展方案。在该方案中，qubit是离子的两个内部状态，纠缠和计算通过涉及共享量子化运动的离子对的量子逻辑操作来实现。此前，已经证明了单个离子的运动与其自旋之间的量子逻辑操作。本文则使用条件量子逻辑变换来纠缠和操纵两个捕获离子的qubit。