36、钙离子串用于量子门的研究进展

钙离子串用于量子门的研究进展

1. 离子阱与量子计算的背景

离子阱为孤立量子系统，如单个捕获并激光冷却的原子，提供了理想环境。长期以来，离子存储技术被应用于超高精度光谱学和频率标准的开发。近年来，单个捕获离子被用于展示和测试量子力学的一些有趣特性。通过激光可以修改捕获离子的内部电子态和运动态，即使在很长的相互作用时间内，内部叠加态的退相干也几乎可以忽略不计。

为了探索这些特性，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。随着对单个离子量子态的近乎完美控制，研究焦点转向了少数离子之间具有良好控制相互作用的系统。对它们整体量子态的操纵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，从而对量子力学进行新的测试。此外，粒子的纠缠还能让人更详细地研究量子测量，如退相干过程。

线性离子阱和捕获离子串的集体量子运动用于实现量子门的提议非常令人兴奋。量子门是量子计算机的基本构建模块，其操作根本上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，这些量子比特可以通过门操作进行类似于经典比特的操纵。经典异或门的量子力学模拟，即所谓的受控非门操作，可以通过线性离子串和一系列明确定义的激光脉冲来实现，以针对不同的离子。已经证明，对两个离子进行操作的受控非门是通用量子门的一种实现，因此原则上，仅使用双离子量子门和单比特旋转就可以进行通用计算。基于离子串实现这些门操作具有重要意义，并且所有基本算法都可以通过捕获的离子串进行测试。

2. 40Ca⁺用于量子计算的优势

量子力学信息很脆弱，必须存储在基本上不受环境