大型量子計算機的光纜

ETH的研究人員展示了一種對原子執行敏感的量子運算的新技術。在這種技術中，控制激光直接在芯片內部傳送。這應該使基于被捕獲的原子構建大規模量子計算機成為可能。

在演示過程中，用激光指示器在屏幕上擊中特定的點并不容易，即使是最輕微的手顫抖也會在遠處變成一大筆小字。現在想象一下必須同時使用多個激光筆進行操作。這正是物理學家試圖使用單個被捕獲的原子構建量子計算機所面臨的問題。它們也需要瞄準激光束(在同一設備中數百束甚至數千束激光束)，精確地對準幾米，以便照射僅幾微米大小的包含原子的區域。任何不必要的振動都會嚴重干擾量子計算機的運行。

在蘇黎世的ETH，喬納森·霍姆(Jonathan Home)和他在量子電子研究所的同事們展示了一種新方法，該方法可以使他們以穩定的方式將多束激光束精確地從芯片內傳遞到正確的位置，甚至可以對原子進行精細的量子運算。

瞄準量子計算機

三十多年來，制造量子計算機一直是物理學家的宏偉目標。被困在電場中的帶電原子(離子)被證明是量子計算機使用的量子位或量子位的理想候選者。到目前為止，以這種方式可以實現包含大約十二個量子位的微型計算機。“但是，如果要構建幾千個量子比特的量子計算機，這對于實際相關的應用可能是必要的，那么當前的實現方式會遇到一些主要障礙，”霍姆實驗室的博士后，最近發表的該研究的第一作者Karan Mehta說。在自然科學雜志上。本質上，問題是如何將幾束激光束從激光器發射到真空設備中，并最終擊中低溫恒溫器內的靶心，在低溫恒溫器中，離子阱被冷卻至比絕對零值高幾度的溫度，以最大程度地減少熱干擾。

具有集成波導的離子阱。用于控制兩個捕獲離子的激光(紅色)(藍色)被傳送到芯片內部的離子阱。圖片來源：Chiara Decaroli / ETH Zurich

光學設置成為障礙

Mehta解釋說：“在當前的小型系統中，常規光學已經成為噪聲和誤差的重要來源，并且在試圖擴大規模時變得更加難以管理。” 一個增加的量子比特越多，控制量子比特所需的激光束光學器件就越復雜。“這就是我們方法的用武之地”，博士學位的張哲補充道。霍姆小組的學生說：“通過將微小的波導集成到包含用于捕獲離子的電極的芯片中，我們可以將光直接發送到那些離子。這樣，低溫恒溫器或設備其他部分的振動所產生的干擾要小得多。”