离子纠缠会是量子计算机的未来吗？

【编者按】本文作者Alexander Hellemans，王婉婷翻译，来源：IEEE Spectrum。 

NIST量子计算实验中使用的离子陷阱（Ion trap），通过用两种不同种类离子形成的量子比特进行逻辑运算。

不久前，两个研究团体——一个来自位于科罗拉多州巨石城美国国家标准技术研究所（NIST），另一个来自牛津大学——报告了他们首次完成的纠缠不同种类粒子的实验。

即使纠缠粒子之间的距离有几个星系那么远，它们的量子属性仍然相连（linked）。纠缠粒子将会成为未来量子计算机的基本模块（building blocks）。到现在为止，科学家们已经完成了光子、电子以及离子的纠缠——相同种类的情况下。来自NIST的团队在《自然》杂志上报告了他们成功地将铝离子（Mg）和铍离子（Be）纠缠起来，然后运用这样的纠缠离子展示了2种重要的逻辑运算：CNOT闸（受控反闸，Controlled-NOT）和SWAP闸（互换闸）。牛津大学的科学家们将钙的两种同位素（40Ca和43Ca）的离子纠缠起来，然后也用测试证明了这样两种离子能够恰当地（Properly）进行纠缠。他们同样也把成果发表在了《自然》杂志上。

由于离子带有正电荷，它们可以被一种称为保罗陷阱（Paul trap）的交叉电磁场所俘获。保罗陷阱在本质上是一个带有用来提供电磁场的电极的小玻璃管，迫使纠缠离子分开几微米远的距离，进入最低能量位置（minimum-energy positions）。保罗陷阱被置于一个大型的1立方米的真空空间中，以此来最小化周遭空气中的分子带来的影响——空气中的分子可能会破坏被俘获离子的纠缠状态，Ting Rei Tan这样解释道，他是NIST参与这项研究的物理学家之一。

（离子在“x”中被俘获了）

一旦离子被俘获，科学家们就用激光脉冲（laser pulse）同时轰击它们——这会令它们能够保持足够长时间的纠缠态来进行实验——其中一道脉冲也用来侦测这对纠缠离子的量子状态。由于是不同种离子的纠缠，所以不同的离子会对不同波长的光有反应，那么它们就能被分开来单独侦测；也就是说，一个离子对于某种脉冲产生反应时，另一个是不会受到脉冲影响的。

不同种离子的纠缠也会在另一方面有反应差异。一个离子需要得到强力的轰击才能改变它的量子状态，但随后它能够在新的量子状态中保持更长的时时间——它的退相干（decoherence）时间很长。另一个离子对于外界的干扰非常敏感，但退相干很快。

这种神奇的量子行为可能会为量子计算中的一种常见问题带来解决方法，Chris Ballance说道，他是牛津大学研究团队的一员：

“你有这两种互相冲突的要求：你希望系统是与环境相当隔绝的，这样的话你的量子状态就不会被周遭环境中的事物搞砸；当你想要操纵这个系统的时候，你又希望它能和环境兼容得相当好。你想要有一个按钮，按下它就能改变一部分的量子状态——这牵扯到环境和系统强有力的交互”

通过这种方法，科学家们能够用1对纠缠量子来进行2种量子运算：控制量子比特，以及将数据储存进存储器。那些对于环境敏感的量子比特，生命周期很短，而那些对于外部世界不敏感的量子比特则能将纠缠态保持更长的时间，所以也就是能将携带的数据保存更长的时间。

“通过这种方法，我们能够在保有我们的蛋糕的同时又吃掉了它。我们有一个能够和环境兼容相当好的系统，也有一个独立的、具有很好的存储能力（Memory）的系统，”Ballance说道。

虽然这是非常重要的一个进展，但真正建立起一台使用这种纠缠量子的量子计算机仍然是一个让人望而生畏的任务。“我们迈出了稚嫩的第一步……未来的量子计算机将会需要更多的量子比特，数量可能上百，”来自NIST的Tan说道。

在这种量子计算机里，有两种可能的方法来连接量子比特：一个巨大到包含了整台计算机的保罗陷阱，或是运用“飞行量子比特”（flying quibite）。根据Ballance的说法：

“第一种方法是制作一个相当复杂的保罗陷阱，里面有许多电极，你可以用这些电极来开启和关闭闸门、以此控制离子前进或者后退——你可以把它想象成一个非常复杂的街道网格，电极在移动着，将离子推往陷阱的不同区域。另一种方法是制作许多独立的小型陷阱，然后利用交换量子（interface qubits）来模拟光纤中嵌入的光子，像光纤一样将许多这样的小型系统连接在一起。”