囚禁離子具有調(diào)控與測(cè)量方便、相干時(shí)間長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，是極具潛力的實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的研究平臺(tái)之一。要解決實(shí)用的問題，量子計(jì)算機(jī)需要具有可擴(kuò)展性，能在數(shù)以百萬計(jì)的物理量子比特間實(shí)現(xiàn)高保真度的量子邏輯門。此前的基于囚禁離子的量子計(jì)算研究主要集中于一維的離子構(gòu)型，所能容納的量子比特?cái)?shù)限于幾十到上百個(gè)。如果能將離子的構(gòu)型擴(kuò)展為二維，將能夠顯著增加量子比特?cái)?shù)。但是受限于現(xiàn)有的芯片電極加工技術(shù)，二維陣列中離子的間距很大，導(dǎo)致其相互作用減弱，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)離子間量子邏輯門的時(shí)間將大大延長(zhǎng)；此前也有基于脈沖激光實(shí)現(xiàn)大離子間距下的高速量子邏輯門的方案，但往往需要很強(qiáng)的激光功率和極短時(shí)間內(nèi)的多個(gè)激光脈沖，在目前的實(shí)驗(yàn)條件下難以實(shí)現(xiàn)。因此，離子型量子計(jì)算的二維架構(gòu)在過去并未受到廣泛重視。

最近，清華大學(xué)的段路明教授研究組提出了一種利用現(xiàn)有的電極微加工技術(shù)和周期性激光脈沖技術(shù)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模二維離子陣列上高速量子計(jì)算的方案。該工作表明，利用周期性的脈沖激光產(chǎn)生的依賴量子比特狀態(tài)的動(dòng)量反沖（spin-dependent momentum kicks），可以在幾十到幾百微米的離子間距、幾十兆赫茲的脈沖重復(fù)頻率下，實(shí)現(xiàn)幾微秒的高速雙量子比特量子邏輯門。這些參數(shù)范圍在現(xiàn)有的鐿離子實(shí)驗(yàn)中已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)。此外，該量子邏輯門的實(shí)現(xiàn)方案還具有很強(qiáng)的可擴(kuò)展性。由于離子間距大、邏輯門時(shí)間短，在二維陣列上局域的擾動(dòng)將不會(huì)傳播到遠(yuǎn)處的離子，因此量子邏輯門的設(shè)計(jì)復(fù)雜度不會(huì)隨著離子數(shù)的增加而上漲，而且相距較遠(yuǎn)的多個(gè)量子邏輯門可以并行執(zhí)行，而不會(huì)引起顯著的串?dāng)_誤差（crosstalk error）。

總之，該二維離子型量子計(jì)算機(jī)構(gòu)架的提出，為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量子計(jì)算提供了一種可行的新思路。 

左上：在二維離子陣列上使用反向傳播的脈沖激光實(shí)現(xiàn)近鄰離子間雙量子比特邏輯門的示意圖；右上：一種基于芯片微加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)二維離子陣列的示意圖，離子在dc和rf電場(chǎng)中排列成一維鏈，多個(gè)一維鏈進(jìn)而組成二維陣列；左下：以鐿-171離子為例，所需的簡(jiǎn)諧約束勢(shì)大?。ㄋ{(lán)色實(shí)線）和雙量子比特邏輯門時(shí)間（紅色虛線）隨離子間距d的變化；右下：并行執(zhí)行多個(gè)邏輯門的串?dāng)_誤差隨邏輯門之間的距離n的變化。

相關(guān)論文信息：DOI:10.1088/0256-307X/37/7/070302