通过片上光纤实现量子计算和传感的离子控制技术

图片来源：麻省理工学院

如上图所示光纤将激光直接耦合到离子阱芯片中。使用时，芯片在真空室中低温冷却，芯片上的波导将光传送到芯片表面上方的离子，用于执行量子计算。

当你走进一个量子实验室，科学家们在那里捕捉离子，你会发现长凳上摆满了镜子和透镜，所有的聚焦激光都用来击中“被困”在芯片上方的离子。通过使用激光来控制离子，科学家们已经学会了利用离子作为量子比特，或量子比特—量子计算机中的基本数据单位。但是，这种激光装置现在阻碍了研究，使人们很难用几个以上的离子进行实验，也很难将这些系统带出实验室进行实际使用。

现在，林肯实验室的研究人员已经开发出一种将激光传输到被捕获离子上的紧凑方法。在《自然Nature》杂志上发表的一篇论文中，研究人员描述了一种插入离子阱芯片的光纤块，将光耦合到芯片本身制造的光波导上。通过这些波导，多个波长的光可以穿过芯片并释放出来，击中上面的离子。

论文作者、林肯实验室量子信息和集成纳米系统组的高级职员 Jeremy Sage说：“这一领域的许多人都清楚，传统的方法，使用镜子和透镜等自由空间光学技术，只会走到这一步。如果光被带到芯片上，它可以被引导到许多需要它的地方。许多波长的集成传输可能会导致一个非常可扩展和便携的平台。我们首次证明这是可以做到的。”

多种颜色

计算捕获离子需要精确地独立地控制每个离子。自由空间光学可以很好地控制一维短链中的一些离子。但是在一个更大的或二维的原子团中击中一个离子，而不击中它的邻居，是非常困难的。当想象一台实用的量子计算机需要数千个离子时，这种激光控制的任务似乎不切实际。

这个迫在眉睫的问题让研究人员找到了另一种方法。2016年，林肯实验室和麻省理工学院的研究人员展示了一种内置光学元件的新芯片。他们将一束红色激光聚焦到芯片上，芯片上的波导将光传送到光栅耦合器上，这种耦合器是一种隆隆的长条，用来阻止光线并将其引导到离子上。

红光对于做一个称为量子门的基本操作至关重要，这是团队在第一次演示中所做的。但是，要完成量子计算所需的一切，需要多达六个不同的彩色激光器：准备离子，冷却离子，读出它的能量状态，并执行量子门。利用这一最新芯片，研究小组将其原理证明扩展到了其他这些所需波长，从紫罗兰到近红外。

未来，该团队将致力于建造离子阱阵列，如图所示，以探索基于该技术的实用量子计算机的可行性。

“有了这些波长，我们就能够执行控制被捕获离子所需的基本操作，”这篇论文的作者John Chiaverini说。他们没有在其中演示的一个操作，是两个量子比特的门，这是由苏黎世联邦理工学院的一个团队使用类似于2016年工作的芯片演示的，并在同一期《自然Nature》杂志的一篇论文中进行了描述。”这项工作与我们的合作表明，你已经具备了开始建造更大的离子阱阵列所需的一切条件，”Chiaverini补充道。

光纤

为了实现从一个波长到多个波长的飞跃，该团队设计了一种方法，将光纤块直接连接到芯片的侧面。该模块由四根光纤组成，每根光纤都具有特定的波长范围。这些光纤与直接刻在芯片上的相应波导排列在一起。

“把光纤块阵列对准芯片上的波导管，涂上环氧树脂，感觉就像在做手术。这是一个非常微妙的过程。我们有大约半微米的耐受性，它需要在冷却到4开尔文的温度下存活下来，”领导实验的Robert Niffenegger说，他是这篇论文的第一作者。

在波导管的顶部有一层玻璃。在玻璃的顶部是金属电极，它们产生电场，将离子固定在适当的位置；在释放光的光栅耦合器上方，金属上会切割出孔。整个装置是在林肯实验室的微电子实验室制造的。

设计能以低损耗将光传输到离子上，避免吸收或散射的波导是一个挑战，因为损耗会随着波长的增加而增加。“这是一个开发材料，制作波导图案，测试它们，测量性能，然后再试一次的过程。”Sage说：“我们还必须确保波导材料不仅能与必要波长的光一起工作，而且不会干扰捕捉离子的金属电极”。

可扩展和便携

该团队现在正期待着他们能用这种全轻集成芯片做些什么。首先，“创造更多，”Niffenegger说,“将这些芯片拼接成一个阵列，可以将更多的离子聚集在一起，每一个离子都能被精确控制，从而打开通向更强大量子计算机的大门。”

Daniel Slichter是美国国家标准与技术研究所的一名物理学家，他没有参与这项研究，他说：“这项易于扩展的技术将使具有许多激光束的复杂系统能够进行并行操作，所有这些系统都能自动对齐，并且对振动和环境条件具有鲁棒性，在我看来，这将是至关重要的用于实现具有数千个量子比特的离子阱量子处理器。”

这种激光集成芯片的一个优点是它固有的抗振动能力。对于外部激光器，激光器的任何振动都会导致它错过离子，就像芯片的任何振动一样。现在激光束和芯片耦合在一起，振动的影响被有效地消除了。

这种稳定性对于离子维持“相干性”，或者作为量子比特运行足够长的时间来计算它们是很重要的。如果被捕获的离子传感器要变得便携也很重要。例如，基于捕获离子的原子钟可以比现在的标准精确得多，并且可以用来提高GPS的精度，GPS依赖于卫星上携带的原子钟的同步。

Sage 说：“我们认为这项工作是科学和工程之间的桥梁，它为学术界和工业界带来了真正的优势。”弥合这一差距是麻省理工学院量子工程中心的目标，Sage 是该中心的主要研究员。