科学家首次设计了在低温下运行的完全连接的32量子位捕获离子量子计算机寄存器，这样的新系统代表了在开发实用量子计算机的前进道路上重要的一步。

捕获离子量子计算机，英语：trapped ion quantum computer，是一种拟议的大规模量子计算机，使用电磁场将离子或带电原子粒子限制并悬浮在自由空间中。量子位以每个离子的稳定电子状态存储，并且量子信息可以通过离子在共享阱中的集体定量运动（通过库仑力相互作用）进行传递。应用激光诱导耦合在量子位状态之间（对于单个量子位操作）或内部量子位状态与外部运动状态之间的耦合（对于量子位之间的纠缠）。

杜克大学的量子计算机专家、金俊基（Junki Kim）将在9月14日至17日举行的首届OSA Quantum 2.0会议上介绍这一最新量子计算机新的硬件设计，该会议为将与OSA光学和激光科学前沿APS / DLS（FiO + LS）会议同时举办的网上虚拟学术会议。

量子计算机不是使用只能为0或1的传统计算机位，而是使用可以处于计算状态叠加的量子位，这使量子计算机能够解决传统计算机难以计算的问题。

捕获离子量子计算机是用于量子计算的最有前途的量子技术之一，其基本操作已在捕获离子系统中以目前最高的精度进行了实验证明。为将系统缩放到任意数量的量子位而正在开发的有希望的方案包括将离子传输到离子阱阵列中空间上不同的位置，通过远程纠缠的离子链的光子连接网络建立大的纠缠态，以及这两种思想的结合。这使离子阱量子计算机系统成为可伸缩通用量子计算机最有前途的体系结构之一。

但是要创建具有足够实际使用的量子位的计算机一直是一项挑战。

金说，“与马里兰大学合作，我们设计和建造了几代完全可编程的离子阱量子计算机，” “该系统是最新的努力成果，可以直接解决许多导致长期可靠性的挑战。”

扩大量子计算机的规模

捕获离子量子计算机将离子冷却到极低的温度，这使它们能够以超高真空悬浮在电磁场中，然后用精密的激光操纵以形成量子位。

迄今为止，由于与破坏离子链的背景分子的碰撞，离子所看到的驱动逻辑门的激光束的不稳定性以及来自捕获电极的电场噪声，阻碍了在大型离子阱系统中实现较高的计算性能，常通过搅动离子运动产生纠缠。

在这项新工作中，研究团队通过采用引人注目的新方法来应对这些挑战。离子被捕获在闭环低温恒温器内部的局部超高真空罩中，该低温恒温器冷却至4K温度，且振动最小。这种布置消除了由于与环境中的残留分子碰撞而引起的量子位链的干扰，并强烈抑制了来自捕集表面的异常加热。

为了获得干净的激光束轮廓并最大程度地减少误差，研究人员使用了光子晶体光纤来连接拉曼光学系统的各个部分，这些光学系统驱动量子位闸（量子位的构建模块）。此外，操作量子计算机所需的精密激光系统经过精心设计，可从光学平台上取下并安装在仪器机架中。然后，激光束以单模光纤传输到系统。他们采用了设计和实现光学系统的新方法，这些方法从根本上消除了机械和热的不稳定性，从而为捕获的离子量子计算机创建了一站式的激光装置。

研究证明，该系统能够按需自动加载离子量子位链，并且可以使用微波场执行简单的量子位操作。该团队在实现纠结门方面取得了可观的进展，其方式可以扩展到完整的32量子位。

在未来的工作中，该团队计划与计算机科学家和量子算法研究人员合作，将特定于硬件的软件与捕获离子量子计算硬件集成在一起。由完全连接的俘获离子量子位和特定于硬件的软件组成的完全集成的系统将为实际的俘获离子量子计算机奠定基础。---转自量子认知