【編者按】本文作者Alexander Hellemans，王婉婷翻譯，來源：IEEE Spectrum。 

NIST量子計算實驗中使用的離子陷阱（Ion trap），通過用兩種不同種類離子形成的量子比特進行邏輯運算。

不久前，兩個研究團體——一個來自位于科羅拉多州巨石城美國國家標準技術研究所（NIST），另一個來自牛津大學——報告了他們首次完成的糾纏不同種類粒子的實驗。

即使糾纏粒子之間的距離有幾個星系那么遠，它們的量子屬性仍然相連（linked）。糾纏粒子將會成為未來量子計算機的基本模塊（building blocks）。到現(xiàn)在為止，科學家們已經(jīng)完成了光子、電子以及離子的糾纏——相同種類的情況下。來自NIST的團隊在《自然》雜志上報告了他們成功地將鋁離子（Mg）和鈹離子（Be）糾纏起來，然后運用這樣的糾纏離子展示了2種重要的邏輯運算：CNOT閘（受控反閘，Controlled-NOT）和SWAP閘（互換閘）。牛津大學的科學家們將鈣的兩種同位素（40Ca和43Ca）的離子糾纏起來，然后也用測試證明了這樣兩種離子能夠恰當?shù)兀≒roperly）進行糾纏。他們同樣也把成果發(fā)表在了《自然》雜志上。

由于離子帶有正電荷，它們可以被一種稱為保羅陷阱（Paul trap）的交叉電磁場所俘獲。保羅陷阱在本質上是一個帶有用來提供電磁場的電極的小玻璃管，迫使糾纏離子分開幾微米遠的距離，進入最低能量位置（minimum-energy positions）。保羅陷阱被置于一個大型的1立方米的真空空間中，以此來最小化周遭空氣中的分子帶來的影響——空氣中的分子可能會破壞被俘獲離子的糾纏狀態(tài)，Ting Rei Tan這樣解釋道，他是NIST參與這項研究的物理學家之一。

（離子在“x”中被俘獲了）

一旦離子被俘獲，科學家們就用激光脈沖（laser pulse）同時轟擊它們——這會令它們能夠保持足夠長時間的糾纏態(tài)來進行實驗——其中一道脈沖也用來偵測這對糾纏離子的量子狀態(tài)。由于是不同種離子的糾纏，所以不同的離子會對不同波長的光有反應，那么它們就能被分開來單獨偵測；也就是說，一個離子對于某種脈沖產(chǎn)生反應時，另一個是不會受到脈沖影響的。

不同種離子的糾纏也會在另一方面有反應差異。一個離子需要得到強力的轟擊才能改變它的量子狀態(tài)，但隨后它能夠在新的量子狀態(tài)中保持更長的時時間——它的退相干（decoherence）時間很長。另一個離子對于外界的干擾非常敏感，但退相干很快。

這種神奇的量子行為可能會為量子計算中的一種常見問題帶來解決方法，Chris Ballance說道，他是牛津大學研究團隊的一員：

“你有這兩種互相沖突的要求：你希望系統(tǒng)是與環(huán)境相當隔絕的，這樣的話你的量子狀態(tài)就不會被周遭環(huán)境中的事物搞砸；當你想要操縱這個系統(tǒng)的時候，你又希望它能和環(huán)境兼容得相當好。你想要有一個按鈕，按下它就能改變一部分的量子狀態(tài)——這牽扯到環(huán)境和系統(tǒng)強有力的交互”

通過這種方法，科學家們能夠用1對糾纏量子來進行2種量子運算：控制量子比特，以及將數(shù)據(jù)儲存進存儲器。那些對于環(huán)境敏感的量子比特，生命周期很短，而那些對于外部世界不敏感的量子比特則能將糾纏態(tài)保持更長的時間，所以也就是能將攜帶的數(shù)據(jù)保存更長的時間。

“通過這種方法，我們能夠在保有我們的蛋糕的同時又吃掉了它。我們有一個能夠和環(huán)境兼容相當好的系統(tǒng)，也有一個獨立的、具有很好的存儲能力（Memory）的系統(tǒng)，”Ballance說道。

雖然這是非常重要的一個進展，但真正建立起一臺使用這種糾纏量子的量子計算機仍然是一個讓人望而生畏的任務?！拔覀冞~出了稚嫩的第一步……未來的量子計算機將會需要更多的量子比特，數(shù)量可能上百，”來自NIST的Tan說道。

在這種量子計算機里，有兩種可能的方法來連接量子比特：一個巨大到包含了整臺計算機的保羅陷阱，或是運用“飛行量子比特”（flying quibite）。根據(jù)Ballance的說法：

“第一種方法是制作一個相當復雜的保羅陷阱，里面有許多電極，你可以用這些電極來開啟和關閉閘門、以此控制離子前進或者后退——你可以把它想象成一個非常復雜的街道網(wǎng)格，電極在移動著，將離子推往陷阱的不同區(qū)域。另一種方法是制作許多獨立的小型陷阱，然后利用交換量子（interface qubits）來模擬光纖中嵌入的光子，像光纖一樣將許多這樣的小型系統(tǒng)連接在一起?！?/p>

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