34、冷囚禁离子实现量子计算的探索

冷囚禁离子实现量子计算的探索

1. 量子计算机概述

量子计算机遵循量子力学规律，其独特之处在于能够同时遵循多个计算路径的叠加，并根据这些路径的干涉产生最终状态。与经典图灵机相比，量子计算机在解决某些问题上具有显著优势，例如将大合数分解为质数，这是许多经典密钥加密系统安全的基础。

设计量子计算机的关键在于找到量子比特（qubit）之间量子门的物理实现方式。一个量子比特是一个二态系统，通常表示为 {|0⟩, |1⟩}。研究表明，任何操作都可以分解为两个量子比特之间的受控非门（controlled - NOT gate）和单个量子比特的旋转操作。

然而，目前实现量子计算机仍面临诸多挑战。虽然在腔量子电动力学中有一些展示量子门基本原理的有前景的方案，但实现一个简单的受控非门所需的实验步骤表明，构建扩展网络将极其困难。此外，由于系统与环境的相互作用导致的退相干过程，是实际实现量子计算机的主要障碍。

2. 冷囚禁离子系统

冷囚禁离子系统为实现量子计算机提供了一个现实的物理系统。该系统具有以下显著特点：
- 允许在任意一组（不一定相邻）离子之间实现 n 比特量子门。
- 在整个计算过程中，退相干可以忽略不计。
- 最终的量子寄存器读取（即对单个量子比特的状态测量）可以以单位效率完成。

2.1 量子比特的定义

计算机的基本元素（即量子比特）是离子本身。第 n 个量子比特的两个状态对应于相应离子的两个内部状态，例如基态 |g⟩ₙ = |0⟩ₙ 和激发态 |e⟩ₙ = |1⟩ₙ。量子计算机的状态是量子寄存器的宏观叠加：
[
\Psi=\sum_{x = 0}^{2