離子阱量子計算簡史
2022年9月9日，是離子阱技術的發明之一，諾貝爾獎獲得者Hans Georg Dehmelt（漢斯·格奧爾格·德默爾特）誕辰100週年的紀念日。爲了紀念這位離子阱技術的先驅，讓更多讀者瞭解離子阱這項技術，量子前哨特別翻譯了科普作家、物理學博士Chiara Decaroli的文章，文章系統地回顧了離子阱的發明、發展歷史，以及它是怎樣發展成爲與光量子、超導電路並駕齊驅的三大量子計算物理路線之一的。
量子計算的春天正在到來：世界各國政府都爭相公佈野心勃勃的發展規劃和大型項目，初企業如雨後春筍般涌現，衆多投資也開始進入這一領域。目前，量子計算的技術路線還處於“百花齊放”的態勢，其中備受矚目技術路線之一就是離子阱。對於大衆來說，“離子阱”無疑是一個極其遙遠的概念，“離子”是什麼？“阱”又是什麼？這還得從90年前說起……
離子阱的早期歷史
故事始於20世紀30年代的荷蘭。一位名叫Frans Michel Penning（弗朗斯·米歇爾·彭寧）的年輕學者在博士期間一直研究氣體的熱力學特性，他對不同氣體在極低溫度和特定條件下的放電現象非常着迷。在完成博士工作後，Penning加入了飛利浦研究室繼續研究氣體放電現象，在當時這項研究的主要應用是開發新的燈具。在研究過程中，他發明了一種稱爲 Penning 真空計的裝置，該裝置利用磁場加速電子通過一個玻璃管，可以精確測量管內的壓力，即真空計[2]。
到了1949年，美國貝爾實驗室的物理學家John Robinson Pierce（約翰·羅賓遜·皮爾斯）在他的《電子束理論與設計》一書中描述了一種“電子陷阱”，在理論上描述了利用電場和磁場的組合，可以將電子捕獲並限制在特定的空間區域中[1]。
這項工作引起了德國物理學家Hans Dehmelt的注意[5]，他當時正在撰寫博士論文，不久後移居美國。他更詳細地研究了描述電子在被捕獲時運動的數學理論，並在 1959 年創造了第一個“磁控管”式的離子陷阱，併成功的將電子限定在其中。Dehmelt將這個裝置命名爲“Penning 阱”，以紀念Penning 在研究磁場對放電的影響方面所做的開創性的研究。Penning阱後來成爲對電子和質子等粒子特性進行高精度測量的首選工具。
來自J.R.Pierce《電子束的理論與設計》，1949年。
與此同時，在德國還有另一位物理學家也對捕獲帶電粒子的技術感到好奇。此時，在質譜研究領域中，將原子電離後進行加速探測的技術已經流行：通過電場和磁場的組合，再根據其荷質比推動和偏轉檢測器上的電離原子，就可以精確測量給定物質的質量。德國波恩大學的Wolfgang Paul（沃爾夫岡·保羅）於 1953 年提出了一種“沒有磁場的新型質譜儀”[6] 。這種質譜儀不僅不需要磁場，而且在處於某些幾何形狀時它能夠限制帶電粒子，從而實現捕獲並限制離子的功能。於是，射頻離子阱（也稱爲Paul阱）誕生了。其基本思路與Penning阱一致，但無需強磁場。
“一種沒有磁場的新型質譜儀”，保羅在1953年提出。
Paul和Dehmelt二人因“發展了離子阱技術”而共同獲得了1989年的諾貝爾物理學獎[3]。諾貝爾獎委員會高度評價了他們這一早期發明，使科學家有機會詳細研究原子性質和光譜：“原子的性質是由量子力學定律決定的，這些定律使得它們只能具有固定的能級，當不同能級之間發生過渡時，具有一定頻率的電磁輻射會發射或吸收。如果單個原子可以在特定條件下被隔離更長時間，就能大大改善研究原子的性質和光譜的機會。”[3]
後排右邊：Dehmelt和Paul在1989年諾貝爾獎頒獎典禮上。 圖片來自[2]
基本操作和初始幾何結構
介紹完離子阱的歷史後，讓我們再仔細瞭解一下技術本身。不管是Penning阱還是Paul阱，其原理都是利用靜態電場來限制離子運動。但靜態電場本身無法在所有空間方向上施加限制。如果離子沒有在各個方向受限，就很容易向不封閉的方向逃逸。爲了確保離子被捕獲在特定的空間中，就需要額外的限制。Penning阱使用的是磁場，而Paul阱使用振盪電場[4]，[7]。
插圖：Chiara Decaroli
Penning阱和Paul阱的原始幾何結構是上圖左側顯示的環狀三維陷阱[8]。Paul阱在端蓋上應用了靜態電場，在環上應用了振盪電場。端蓋沿陷阱軸造成了限制，而靜態電場環將離子困在徑向平面上，即垂直於陷阱軸的平面。Penning阱則向陷阱軸方向施加磁場，所有環和端蓋都對其施加了靜態電場。與Paul阱類似，磁場的作用是在徑向平面上造成限制。在這兩種情況下，離子都會被困在環的中間。
二維線性陷阱是三維Paul阱的延伸，但如果沒有額外的端蓋，就不能將離子限制在陷阱軸上。這種二維配置[7]的陷阱可以用作質譜儀，也是後來三維Paul設計開發的基礎。
Penning阱和Paul阱的發展
離子阱最早用作質譜儀，又是怎樣演變成爲一種量子計算的裝置呢？
隨着離子阱的出現，人們獲得了長時間穩定地限制帶電粒子（離子）運動的能力，這纔有機會詳細研究粒子的性質，並研究它們與環境、外部場的相互作用。此後幾種新的技術出現了，使科學家能夠控制、操縱這些被捕獲的離子，打開新的物理學大門，David Wineland（大衛·溫蘭德）就是該領域的先驅之一。激光冷卻是其中一種技術，通過與激光的相互作用，被捕獲離子的能量可以更低了。
這個新的技術非常令人興奮，不僅在光譜學和精密測量領域有着重要價值，而且爲研究量子力學效應提供了非常有趣的途徑。1995 年，Ignatio Cirac（伊格納西奧·西拉克，沃爾夫物理學獎和墨子量子獎得主） 和Peter Zoller（彼得·佐勒，墨子量子獎得主）提出了一種使用超冷被捕獲離子來實現量子門的方法[9]。他們的提議引發了一個全新的研究方向：離子阱量子計算。
隨着被捕獲離子的的應用發生了變化，是時候重新設計Paul阱了。原來的帶有端蓋的線性Paul阱演化成由圓柱形分段棒組成的棒狀阱，然後又出現了葉片阱，以允許更大的光學進入角，以發送和探測離子發出的光。這些形式的離子阱仍然是宏觀的，尺度在釐米大小。
牛津大學使用的葉片式量子阱。
圖片來源：David Nadlinger
隨着被捕獲離子作爲量子比特的性能越來越好，人們計劃用離子阱來構建量子計算機，這對離子阱的大小提出了要求，並需要在縮小離子阱大小的同時，使得阱內捕獲的離子儘可能的多。將宏觀Paul阱微型化有兩種主要的微加工工藝：微觀三維離子阱和微表面離子阱，二者都能將離子阱的尺度從釐米縮小到毫米，其中的帶電離子被困在離電極幾十到幾百微米的空間中。
離子陷阱的演變：葉片阱、微觀三維阱和微表面阱。
插圖：Chiara Decaroli
第一種工藝：微觀三維陷阱通過將多個單獨的晶圓堆疊在一起製成。晶圓要麼由導電材料製成，要麼由絕緣材料製成，然後塗上金屬以產生電極。離子位於堆棧的中心，這看起來與最早的線性陷阱產生的電場非常相似，這種離子阱可以在從室溫到幾開爾文超低溫下工作。但是其製造和組裝工藝非常麻煩，良品率很低。
第二種工藝：微表面阱由單個晶圓製成，可沿用現有的商業產線和光刻技術。離子被困在晶圓平面上方，距離電極表面幾十微米。由於它們相對容易製造，當涉及到擴大離子阱的規模以能夠捕獲更多離子時，微表面阱技術是一個有前途的候選者。
總體而言，Paul阱的設計創新是當下活躍研究領域，並隨着新制造技術的發展，出現了更多的可能性。例如可以將光學元件集成到離子阱晶圓中，以提供必要的激光來執行量子門。
帶有集成波導的微表面阱，可以傳輸激光。
插圖：ETH新聞[10]
Penning阱現在更多的用於精密測量領域，在量子模擬和多體物理學（如[11]）中也有應用，在量子計算領域它的發展路徑也與Paul阱類似。
NIST用Penning阱技術實現的離子晶體[11]
隨着量子計算向NISQ（含噪聲的中等規模的量子計算）時代的發展，離子阱技術將從捕獲數十個離子進步到能捕獲數千個離子的水平，這一過程還將需要大量的科研合作、創新設計和工程努力，未來幾年中，離子阱的發展將更加令人期待！
關於作者
Chiara Decaroli是一位物理學家，在捕獲離子量子信息處理領域攻讀博士學位。她專注於設計和製造離子陷阱。她也是一名自由職業的科學插畫家，喜歡各種科普相關內容。
https://medium.com/@decarolichiara/a-brief-history-of-ion-traps-for-quantum-information-processing-caa193bc4585
References
[1] “A brief history in time of ion traps and their achievements in science”, Michael H Holzscheiter 1995 Phys. Scr. 1995 69
[2] “Die glimmentladung bei niedrigem druck zwischen koaxialen zylindern in einem axialen magnetfeld”, F. M. Penning, Physica, Volume 3, Issue 9, November 1936, Pages 873–894
[3] www.nobelprize.com
[4] “Physics with Trapped Charged Particles”, Martina Knoop , Niels Madsen and Richard C. Thompson, https://arxiv.org/pdf/1311.7220.pdf
[5] https://en.wikipedia.org/wiki/Hans_Georg_Dehmelt
[6] https://en.wikipedia.org/wiki/Wolfgang_Paul
[7] “Electromagnetic traps for charged and neutral particles”, Wolfrang Paul, Reviews of Modern Physics, Vol. 62, №3, July 1990
[8] “Ein neues Massenspektrometer ohne Magnetfeld”, Wolfgang Paul and Helmut Steinwedel, Zeitschrift für Naturforschung A, Volume 8: Issue 7, 1953
[9] “Quantum Computations with Cold Trapped Ions” J. I. Cirac and P. Zoller, Phys. Rev. Lett.74, 4091–4094 (1995).
[10] https://ethz.ch/en/news-and-events/eth-news/news/2020/10/optische-verdrahtung -fuer-grosse-quantencomputer.html
[11] “Quantum simulation and many-body physics with hundreds of trapped ions”, John J. Bollinger, Joseph W. Britton, and Brian C. Sawyer, CLEO 2013 Technical Digest, OSA 2013
[12] https://aquadrupauliontrap.wordpress.com/
編譯： 王衍
編輯：慕一
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本文轉載自《量子前哨》微信公衆號