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|光学布线新技术：有望用于打造大型量子计算机


【|光学布线新技术：有望用于打造大型量子计算机】 导读
据瑞士苏黎世联邦理工学院官网近日报道 ， 该校研究人员演示了一项新技术 ， 可以在原子上开展敏感的量子运算 。 在这项技术中 ， 控制激光直接在芯片内部传送 ， 从有望打造基于囚禁离子的大规模量子计算机 。
背景
在我们作报告时 ， 用激光笔照射屏幕上的一个特定的点 ， 并不是一件容易的事 。 即便是最细微的紧张颤抖 ， 都会在远处形成一个巨大的涂鸦 。 现在 ， 让我们想象一下 ， 如果必须用几只激光笔同时这么做时 ， 结果又会怎样？
|光学布线新技术：有望用于打造大型量子计算机
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（图片来源：维基百科）
这正是尝试采用独立的囚禁原子构造量子计算机的科学家们所面临的问题 。 他们也需要在几米之外精确地对准激光束（同一个装置上有几百个甚至几千个激光束） ， 使之可以照射到尺寸仅几微米的含有原子的区域 。 任何多余的颤动都会严重干扰量子计算机的运作 。
创新
近日 ， 在瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich） ， 乔纳森·霍姆（Jonathan Home）及其在量子电子研究所的同事们演示了一种新方法 ， 以一种稳定的方式 ， 将多个激光束准确地照射到芯片内适当的位置 ， 甚至可以在原子上执行最细微的量子运算 。
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具有集成波导的离子阱芯片 。 激光通过右边的光纤被直接送入芯片中 。 （图片来源：K. Metha / ETH Zurich）
这项研究最近发表在科学期刊《自然》（Nature）杂志上 。
技术
30多年来 ， 打造量子计算机一直是物理学家们的一个宏伟目标 。 结果 ， 囚禁在电场中的带电原子（离子）成为了量子位的理想候选方案 ， 而量子计算机正是使用量子位来进行计算的 。 目前为止 ， 通过这种方式 ， 我们可以实现含有12个左右量子位的小型计算机 。
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(图片来源: S. Debnath and E. Edwards/联合量子研究所）
霍姆实验室的博士后研究员、这项研究的第一作者卡兰·梅塔（Karan Mehta）表示：“然而 ， 如果你想要打造含有几千个量子位的量子计算机 ， 那么目前的实现方案会面临一些重大障碍 ， 但是这种量子计算机对于实际相关应用来说很可能是必需的 。 ”从根本上说 ， 问题在于 ， 如何跨越几米的距离 ， 从一个激光器向一个真空装置发送激光束 ， 并最终击中低温恒温器中的靶心 。 在低温恒温器内 ， 离子阱被冷却至绝对零度以上的几度 ， 从而最大限度地减小热扰动 。
梅塔解释道：“在目前的小规模系统中 ， 传统光学器件已成为重要的噪音与错误来源 ， 并且在设法扩大规模时 ， 管理起来难度要大得多 。 ”量子位添加得越多 ， 控制量子位所需的激光束光学器件就会越复杂 。 霍姆研究小组的博士生张弛（音译：Chi Zhang）补充道：“我们的方案正是来源于此 。 通过将微型波导集成到含有电极（用于囚禁离子）的芯片中 ， 我们可以直接向这些离子发射光线 。 通过这种方式 ， 低温恒温器或者装置的其他部件颤动所造成的扰动会小得多 。 ”
研究人员委托一家专门负责生产芯片的厂家来制造这种芯片 ， 芯片含有离子阱所需的金电极 ， 以及在更深层中的激光波导 。 在芯片的一端 ， 光纤将光线送入仅100纳米厚的波导中 ， 在芯片中有效地形成光学布线 。 这些波导中的每一个都通向芯片中一个特定的点 ， 光线最终在那里转向表面上的囚禁离子 。
下图所示：具有集成波导的离子阱 。 控制两个囚禁离子（蓝色）的激光（红色）被送入芯片中的离子阱 。


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