提到量子计算，我们首先想到的就是大名鼎鼎的超导量子计算系统。早在1995年，物理学家伊格纳西奥·西拉克（Ignacio Cirac）就提出了一种创新的方法，即利用稳定囚禁的离子来实现量子逻辑门的操作，进而构建量子计算系统，这被称为离子阱量子计算。
目前，离子阱量子计算与超导量子计算一起，被认为是有望实现真正实用化的量子计算的两种主流方案。顾名思义，离子阱量子计算就是将离子稳定地囚禁在一个特定的势阱中，使其能够编码并参与量子计算。因此，离子和势阱是该系统最核心的两个要素，它们也是理解离子阱量子计算工作原理的关键。
小小身体，大大的能力
实际上，离子是带有电荷的原子，因此它们内部自然存在稳定的能级结构。利用这一特性，科学家们可以选择离子内部的两个特定能级，将它们编码成一个性能稳定的二能级系统，也就是我们所说的量子比特。对于单个囚禁离子中的二能级系统，我们可以将能量较高的状态标记为|1⟩态，而将能量较低的状态标记为|0⟩态。
由于离子内部能级之间的跃迁遵循概率性原理，单个离子的能量状态可以同时处于|1⟩态和|0⟩态的叠加状态，使其能够作为离子量子比特参与并行运算。进一步来说，如果我们能在离子阱系统中稳定囚禁N个离子，理论上就可以编码N个独立的离子量子比特。在特定的激光光场和微波场的精确控制下，这些离子量子比特能够进行2 N 次方的并行量子运算，展现出量子计算机强大的并行处理能力。
离子阱量子计算芯片：大规模量子计算的关键
在深入探讨离子阱量子计算系统时，我们不得不提到其朝着规模化和集成化方向发展的一个重要里程碑——基于离子阱量子计算芯片的离子输运方案，这一方案也被称作QCCD（Quantum computing Chip with Ion Shuttle）。
离子阱量子计算芯片被设计成拥有多个空间功能区域，这些区域通过调节复合电场来实现离子在不同功能区域之间的精确输运。这些区域分别承担着量子比特的存储、操作、测量等关键任务。通过这些操作的有机组合，QCCD方案能够确保每次量子操作的保真度不会因为总离子数的增加而降低，这是实现大规模通用量子计算的关键所在。
基于离子阱量子计算芯片的离子输运方案（QCCD方案）的示意图。
正是凭借着优异的性能表现，离子阱量子计算芯片的研究受到了美国国家核安全局下属的桑迪亚国家实验室（Sandia National
发表评论