37、冷囚禁离子量子计算的理论基础与应用

冷囚禁离子量子计算的理论基础与应用

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双能级系统网络中的设备，如自旋 - 1/2 粒子或双能级原子。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。量子计算通过与构成设备的各种双能级系统进行外部交互来执行计算，从而实现涉及两个或更多不同量子比特的条件门操作，最终通过测量量子力学概率振幅获得计算结果。

目前，最有前景的量子计算硬件似乎是 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形成，激光用于操纵这些状态的量子力学概率振幅，条件双量子比特逻辑门通过离子集体运动量子的激发或去激发来实现。

离子内部能级的选择有两种可能：一是离子的基态和亚稳激发态（或更准确地说是这些态的子能级）；二是基态的两个近乎简并的子能级。第一种情况称为“单光子”方案，概念和实验简单；第二种情况是“拉曼”方案，具有两个近乎简并态之间自发衰变率极低以及对激光相位波动具有抗性的优点。

2. 线性陷阱中离子的平衡位置

考虑陷阱中的 N 个离子链，离子在 y 和 z 方向上被强烈束缚，在 x 方向上处于弱束缚的谐波势中。离子的运动受到陷阱电极的整体谐波势和其他离子施加的库仑力的影响。假设 y 和 z 方向的束缚势足够强，可忽略沿这些轴的运动，但离子横向于陷阱轴的运动在某些情况下可能很重要，如可能导致退相干，大量离子存储时横向振动可能变得不稳定，离子会采用锯齿形配置。

离子链的势能表