重磅科普用于量子信息处理的离子阱简史

　　量子计算领域的春天已经到来。世界各地的研究人员都在努力工作，政府正在宣布大规模的项目和新的设施，而初创企业和公司如雨后春笋般涌现。有望实现量子计算机的技术之一是离子陷阱。但这些离子是什么？他们是怎么被困的？在这里，将尝试给出离子陷阱的简要（绝不是详尽的）历史，以及它们多年来成为量子计算机的构建基石之一的演变过程。
　　早期的历史
　　故事始于1930年代的荷兰。一位年轻的物理学家弗朗斯·米歇尔·彭宁（Frans Michel Penning）从事气体的热力学性质的博士研究。他着迷于不同气体的行为以及在非常低的温度和特定条件下的放电。在完成博士工作之后，他加入了菲利普斯研究实验室，负责继续进行气体放电的研究。当时他研究的主要应用是开发新的灯具！在研究放电时，他发明了一种叫做Penning压力计的装置，该装置利用磁场使电子加速通过管子，并允许精确测量管内的压力，即真空计。
　　快进到1949年，横跨大洋， 物理学家J.R.Pierce在他的著作《电子束的理论与设计》中描述了一个电子陷阱， 它能够利用电场和磁场的组合将电子限制在特定的空间区域。 这项工作引起了德国物理学家汉斯·德梅尔特（Hans Dehmelt）的注意 ，他当时正在写博士论文，不久后将移居美国。他更详细地发展了描述电子在被困时运动的数学，并在1959年创造了第一个可以困住电子的＂磁龙＂陷阱！ 他把这种装置命名为＂彭宁陷阱＂，以纪念彭宁在研究磁场对放电的影响方面所做的第一次努力。 彭宁陷阱后来将成为对电子和质子等粒子的特性进行高精度测量的首选工具。
　　与此同时，在德国，另一位物理学家对限制带电粒子的技术感到好奇。原子被电离然后加速飞向探测器，这在质谱学领域已经活跃了几年。电场和磁场的组合根据离子的质荷比使其偏转，从而能够精确确定特定物质的质量。 沃尔夫冈·保罗(Wolfgang Paul)在波恩大学任教期间，于1953年提出了＂没有磁场的新型质谱仪＂。 该质谱仪不仅不需要磁场，而且对于某些几何形状，它还可以限制带电粒子，从而像彭宁陷阱一样，为捕获离子提供了机会，但是不需要强磁场。射频离子阱（也称为Paul Trap）诞生了。
　　几十年后的1989年， Paul和Dehmelt因＂离子阱技术的发展＂而获得了诺贝尔物理学奖。 正如诺贝尔奖委员会所写，他们的早期发现使科学家有机会详细研究原子的性质和光谱：
　　＂原子的性质由量子力学定律确定，即它们只能具有固定的能级，并且当不同能级之间存在跃迁时，会发射或吸收具有特定频率的电磁辐射。 如果可以在恒定条件下将单个原子分离更长的时间，则研究原子特性和光谱的机会将得到改善。 ＂
　　后排，右起：Dehmelt和Paul 在1989年诺贝尔颁奖典礼上
　　基本操作和初始几何形状
　　现在，我们知道了一点历史，让我们仔细看看离子陷阱！我们已经知道有两种主要类型：彭宁陷阱和保罗陷阱。 两种类型都利用静态电场来限制离子， 但是静态电场本身不能在三维中创建一个捕获区域。如果离子没有被困在四面八方，它们很容易在不受限制的方向上逸出。 为了确保离子被捕获，需要额外的一个场。为此，彭宁陷阱使用磁场，而保罗陷阱使用振荡电场。
　　保罗和彭宁陷阱的原始几何形状是上图左图所示的环形3D陷阱。 保罗陷阱具有施加到端盖电极（endcap electrode）的静电电场和施加到环形电极（ring electrode）的振荡电场。端盖电极沿捕获轴产生约束，而环形电极将离子捕获在径向平面（垂直于捕获轴的平面）中。对于彭宁陷阱，在捕获轴的方向上施加磁场，并在环形电极和端盖电极对其施加静电电场。类似于保罗版本，磁场在径向平面中产生约束的作用。在这两种情况下，离子都将被捕获在环的中间。
　　2D线性阱用作质谱仪，如果要让它沿捕获轴约束粒子，就必须包含额外的端盖电极。2D线性阱是后来3D保罗陷阱设计开发的基础。
　　保罗和彭宁陷阱的演变
　　到现在为止，您可能会问 ＂标题中为什么会有用于量子信息处理，什么时候出现？感觉就像我们还在谈论质谱仪！＂。别急，马上就要谈到量子信息处理了。
　　由于能够长时间稳定地限制带电粒子，因此有机会开始详细研究粒子的性质，并研究其与环境和外部场的相互作用。有几项技术使科学家能够控制被囚禁的粒子并操纵它们，这是以前无法做到事情， 戴维·怀恩兰德（David Wineland）是该领域的先驱之一。其中一种技术是激光冷却，囚禁离子与激光的相互作用降低了离子的能量。
　　该领域非常令人兴奋，不仅在光谱学和精确测量领域，而且在研究量子力学效应方面都提供了非常有趣的途径。 1995年，伊格纳修斯·西拉克（Ignatius Cirac）和彼得·佐勒（Peter Zoller）提出使用冷阱离子实现与经典门等效的量子门。他们的提议激发了一个全新的研究方向：用囚禁离子做量子计算。 从那时起，量子计算领域一直在发展，不仅聚焦在囚禁离子上，而且还在各种其他平台上，例如超导电路，基于固态的量子系统，中性原子，光子等。
　　随着需求和期望的变化和增长，是时候重新考虑原始的Paul阱设计了。带有端盖的线性保罗陷阱被转换为由圆柱形分段杆构成的杆式陷阱（rod trap），而后又衍变成刀片式陷阱（blade trap），以允许更大的光学访问角度，以发送和收集离子发射的光。这些陷阱仍然是宏观的，尺寸约为厘米。
　　由于囚禁离子显示出作为量子位更好的性能，因此从中构建量子计算机的长期目标对陷阱的大小提出了要求。能够缩小设备尺寸并努力使它们具有更大的可扩展性变得很有必要。宏观的保罗陷阱被小型化，有两个主要的微型设计：3D微型陷阱和表面（或平面）陷阱（the 3D microfabricated trap and the surface (or planar) trap）。微型陷阱的尺寸从几厘米到几毫米。现在离子被困在距离电极数十到数百微米的位置。
　　微型3D陷阱是通过将多个单独的晶圆彼此堆叠而制成的。晶圆由导电材料或绝缘材料制成，然后再涂上金属以形成电极。离子位于堆的中心，处在与原始线性陷阱非常相似的场环境中。这些阱会形成离子的深阱，并且可以在室温至低至开氏温度几度的低温下运行。然而，它们的制造和组装相当麻烦，并且再现性低。
　　另一方面，表面陷阱由使用商业技术和光刻技术图案化的单个晶片制成。离子被囚禁在表面上方，并且离电极表面的距离可能只有几十微米。由于它们的制造相对较容易，因此在按比例放大器件以能够捕获许多离子时，这些阱是很有前途的候选者。
　　新型保罗陷阱的设计是一个活跃的研究领域，随着制造技术的发展，更多的机会出现了。许多令人兴奋的进展正在展开，例如将光学元件集成到陷阱晶片本身中，以提供执行量子门所需的激光。
　　彭宁陷阱又如何呢？一方面彭宁陷阱被广泛用于精密测量，另一方面它也在量子模拟和多体物理学中得到了应用。而在量子计算领域，它遵循着与保罗陷阱相似的轨迹。
　　从捕获数十个离子到捕获数千个离子，将需要大量的工程工作，研究合作和创新设计，未来几年将充满真正令人兴奋的研究！