MIT將量子信息處理系統集成到單芯片上

　　量子計算機是一種能以遠比傳統計算機更快的速度執行某些計算的尚未實(shí)現的設備。量子計算的計算方式和經(jīng)典的表示 0 或 1 的計算方式不同，量子計算機由量子位(qubit)構成，量子位可以同時(shí)表示 0 和 1。

　　盡管帶有多達 12 個(gè)量子位的量子系統已經(jīng)在實(shí)驗室中得到了證實(shí)，但創(chuàng )造足夠復雜的能夠執行有價(jià)值的計算的量子計算機還需要對量子位技術(shù)進(jìn)行小型化，這就像晶體管的小型化帶來(lái)了現代計算機一樣。

　　囚禁離子(trapped ions)是得到了最廣泛研究的量子位技術(shù)，但它們在歷史上一直需要龐大而復雜的硬件設備。在今天的 Nature Nanotechnology 中，MIT 和 MIT 林肯實(shí)驗室的研究者發(fā)表論文稱(chēng)又向實(shí)用化的量子計算機邁出了重要的一步，該論文描述了一種新型的原型芯片，該芯片可以將離子囚禁在一個(gè)電場(chǎng)中，以及使用內置的光學(xué)器件將激光引導至每一個(gè)離子。

　　「如果你看一下傳統的裝配方法，它是一個(gè)內部真空的桶，在里面就是用來(lái)囚禁離子的『籠』。然后基本上就需要一整個(gè)實(shí)驗室的外部光學(xué)設備來(lái)將激光束引導到離子的裝配上?！乖撜撐牡母呒壸髡咧?、MIT 電氣工程教授 Rajeev Ram 說(shuō)，「我們的愿景是將這整個(gè)外部實(shí)驗室小型化到一塊芯片上?！?/p>

　　裝進(jìn)籠子里

　　林肯實(shí)驗室的這個(gè)量子信息與集成納米系統組(Quantum Information and Integrated Nanosystems)是幾個(gè)開(kāi)發(fā)更簡(jiǎn)單更小型的所謂「表面陷阱(surface traps)」的研究團隊之一。一個(gè)標準的離子阱(ion trap)看起來(lái)就像是一個(gè)小籠子，只不過(guò)它的圍欄是可以產(chǎn)生電場(chǎng)的電極。離子在這個(gè)籠子的中央進(jìn)行排列，與圍欄平行。而表面陷阱則是電極嵌入在其表面的芯片。其離子懸浮在這些電極上方 50 微米高度。

　　籠式陷阱有尺寸上的本質(zhì)限制，但表面陷阱理論上可以無(wú)限地擴展。在當前的技術(shù)水平下，它們仍然必需要被放置在真空室中，但它們可以允許在內部配置遠遠更多的量子位。

　　「我們相信為了將這些系統擴展到大規模量子計算所需的非常大的離子數量上，表面陷阱是一項關(guān)鍵的技術(shù)。那些籠式陷阱的效果非常好，但它們只能在 10 個(gè)或 20 個(gè)離子上工作，差不多到那個(gè)水平就是最大的了?！笿eremy Sage 如是說(shuō)，他與 John Chiaverini 一起領(lǐng)導著(zhù)林肯實(shí)驗室的囚禁離子量子信息處理項目(trapped-ion quantum-information-processing project)。

　　而執行量子計算需要對每一個(gè)量子位都有獨立的準確能態(tài)(energy state)控制。囚禁離子量子位使用激光束進(jìn)行控制。在一個(gè)表面陷阱中，離子之間的距離只有 5 微米。使用外部激光射擊一個(gè)離子時(shí)而不會(huì )影響到它附近的離子是非常困難的;只有很少的研究團隊曾經(jīng)嘗試做到了這一點(diǎn)，然而他們的技術(shù)并不適用于大規模系統。

　　集成到板上

　　這是 Ram 的團隊所做到的。Ram 和 Karan Mehta(MIT 的電氣工程研究生，本論文的第一作者)設計并建立了一個(gè)能夠引導激光到單個(gè)離子的片上光學(xué)部件。Sage、Chiaverini 以及他們林肯實(shí)驗室的同事 Colin Bruzewicz 和 Robert McConnell 重新改進(jìn)了他們的表面陷阱，使其能在不減損性能的情況下適配集成光學(xué)。同心協(xié)力，兩個(gè)團隊設計并執行了實(shí)驗，以測試這一新系統。

　　Ram 說(shuō)，「對表面電極陷阱而言，激光束來(lái)自于一個(gè)光學(xué)臺(optical table)并進(jìn)入這一系統，所以我們總會(huì )擔心光束會(huì )震動(dòng)或移動(dòng)。有了光子集成(photonic integration)，你就不需要擔心光束點(diǎn)的穩定性，因為它們也都在電極所在的同一芯片上。所以一切都是彼此固定的，它是穩定的?！?/p>

　　量子計算機是一種能以遠比傳統計算機更快的速度執行某些計算的尚未實(shí)現的設備。量子計算的計算方式和經(jīng)典的表示 0 或 1 的計算方式不同，量子計算機由量子位(qubit)構成，量子位可以同時(shí)表示 0 和 1。

　　研究者的新型芯片建立在石英基板上。在石英頂端是一個(gè)氮化硅「導波管( waveguide)」網(wǎng)絡(luò )，能在芯片上引導激光。導波管上面是一個(gè)玻璃層，頂部是一個(gè)鈮電極。在電極中孔洞的下方，導波管分解成一系列連續的凸脊(ridges)，一個(gè)精準設計的「衍射光柵」引導光點(diǎn)穿過(guò)孔洞，并聚焦足夠狹窄的光束以瞄準單個(gè)離子，它處于芯片表面的 50 微米以上。

　　愿景

　　使用這一原型芯片，研究者評估了衍射光柵和離子阱的表現，但沒(méi)有機制能夠改變傳達到每一離子上的光子數量。在接下來(lái)的工作中，這些研究者將會(huì )研究在衍射光柵中加入光調制器，以便于不同量子位能同時(shí)收到不同的、強度隨時(shí)間變化的光子。這個(gè)工作將使得編程量子位更加有效，這在實(shí)用量子信息系統中非常重要，因為系統所能執行的量子操作的數量受到了量子位「相干時(shí)間(coherence time)」的限制。

　　「據我所知，這是在同一塊芯片上集成光波導作為離子阱的首次嘗試。這也是將離子阱量子信息處理器(QIP)擴展成最終包含足以進(jìn)行有用的量子信息處理的量子位數量上所邁出的重要一步?！古＝虼髮W(xué)的物理學(xué)教授 David Lucas 說(shuō)，「眾所周知，在囚禁離子量子位上能夠取得破紀錄的相干時(shí)間，而且在小數量的量子位上能夠進(jìn)行非常精準的操作。但值得爭論的是，要實(shí)現將系統擴展到更大數量的量子位的技術(shù)，哪個(gè)最重要的領(lǐng)域的哪些過(guò)程需要去做。這正是這個(gè)研究正在努力解決的需求?！?/p>

　　Lucas 補充說(shuō)：「當然，認識到這僅僅是開(kāi)始的演示也是非常重要的。但要相信這一技術(shù)能夠獲得顯著(zhù)的改善，這是很有希望的。作為第一步，這是一項非常好的成果?！?/p>