囚禁離子具有調(diào)控與測量方便、相干時間長等優(yōu)勢，是極具潛力的實現(xiàn)量子計算的研究平臺之一。要解決實用的問題，量子計算機需要具有可擴展性，能在數(shù)以百萬計的物理量子比特間實現(xiàn)高保真度的量子邏輯門。此前的基于囚禁離子的量子計算研究主要集中于一維的離子構(gòu)型，所能容納的量子比特數(shù)限于幾十到上百個。如果能將離子的構(gòu)型擴展為二維，將能夠顯著增加量子比特數(shù)。但是受限于現(xiàn)有的芯片電極加工技術(shù)，二維陣列中離子的間距很大，導致其相互作用減弱，實現(xiàn)兩個離子間量子邏輯門的時間將大大延長；此前也有基于脈沖激光實現(xiàn)大離子間距下的高速量子邏輯門的方案，但往往需要很強的激光功率和極短時間內(nèi)的多個激光脈沖，在目前的實驗條件下難以實現(xiàn)。因此，離子型量子計算的二維架構(gòu)在過去并未受到廣泛重視。
最近，清華大學的段路明教授研究組提出了一種利用現(xiàn)有的電極微加工技術(shù)和周期性激光脈沖技術(shù)實現(xiàn)大規(guī)模二維離子陣列上高速量子計算的方案。該工作表明，利用周期性的脈沖激光產(chǎn)生的依賴量子比特狀態(tài)的動量反沖（spin-dependent momentum kicks），可以在幾十到幾百微米的離子間距、幾十兆赫茲的脈沖重復頻率下，實現(xiàn)幾微秒的高速雙量子比特量子邏輯門。這些參數(shù)范圍在現(xiàn)有的鐿離子實驗中已經(jīng)可以實現(xiàn)。此外，該量子邏輯門的實現(xiàn)方案還具有很強的可擴展性。由于離子間距大、邏輯門時間短，在二維陣列上局域的擾動將不會傳播到遠處的離子，因此量子邏輯門的設計復雜度不會隨著離子數(shù)的增加而上漲，而且相距較遠的多個量子邏輯門可以并行執(zhí)行，而不會引起顯著的串擾誤差（crosstalk error）。
總之，該二維離子型量子計算機構(gòu)架的提出，為實現(xiàn)大規(guī)模量子計算提供了一種可行的新思路。
左上：在二維離子陣列上使用反向傳播的脈沖激光實現(xiàn)近鄰離子間雙量子比特邏輯門的示意圖；右上：一種基于芯片微加工技術(shù)實現(xiàn)二維離子陣列的示意圖，離子在dc和rf電場中排列成一維鏈，多個一維鏈進而組成二維陣列；左下：以鐿-171離子為例，所需的簡諧約束勢大?。ㄋ{色實線）和雙量子比特邏輯門時間（紅色虛線）隨離子間距d的變化；右下：并行執(zhí)行多個邏輯門的串擾誤差隨邏輯門之間的距離n的變化。
相關論文信息：DOI:10.1088/0256-307X/37/7/070302
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