通用量子计算机领域的重要进展：“小型化量子位”技术
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引言
昨天的“编程配置的‘囚禁离子’：让通用量子计算机离现实更近”（点此阅读）一文，提及了量子计算机在运算速度方面的优势。然而，很多量子计算机缺少“通用性”，只能在实验室环境中，运行特定的算法，无法达到可以“运行任意算法”。所以这种“实用性”的缺乏，导致量子计算机无法真正的展示相对传统计算机的巨大运算速度优势。然而，麻省理工学院的研究人员发明的“小型化量子位”技术，成为了推动量子计算机走向“实用”的重要进展。
“小型化”量子位
尽管，实验室中的量子系统已经可达12个量子位（qubit），但是，构建足以复杂的量子计算机，进行“有用”的计算，需要“小型化量子位”技术，打个比方，这就好像现代的计算机使用的“小型化晶体管”技术一样。
正如昨天文章中提及的，“囚禁离子”是最广泛研究的量子位技术。可是，从历史上看，这项技术需要依赖大型复杂的硬件设备。在8月8日发布的《自然纳米技术》“Nature Nanotechnology” 杂志上，麻省理工学院和麻省理工学院林肯实验室，报告了一项“实用的”量子计算机方面的重要进展，一篇相关的论文描述了一种原型芯片，可以在电场内囚禁离子，内置光学器件，每个离子都有直接的激光照射。
麻省理工学院，电子工程系的教授，这项研究的资深作者，Rajeev Ram，这么认为，传统的“囚禁离子”方案，有一个内部真空的桶，里面是捕获离子的笼子，有一个外部实验室用的光学器件，引导激光束照射到离子。而他们的愿景，正是将这个外部的实验室器件，进行小型化，集成到芯片上。
“表面陷阱”
林肯实验室的量子信息和集成纳米系统小组，是开发“表面陷阱”的几个研究小组之一。这种“表面陷阱”，是更简单，更小的“离子阱”。
标准的离子阱，看上去像一个微小的笼子，它的栅栏是产生电场的电极。离子在笼子中间排成一列，平行于栅栏。
“表面陷阱”，相对来说，是一个“将电极嵌入表面”的芯片。离子在电极上方50微米处悬停。笼子里的陷阱，从根本上来讲，大小就是受限的。然而，表面陷阱，原则上可被无限期延长 。从目前的技术来看，他们仍旧必须被放在真空腔内，但是，挤在里面的量子位可以更多。
“我们相信，表面陷阱是使能这些系统的关键技术，可以容纳很大数量的离子，以适应大规模量子计算的要求，”Jeremy Sage说，他和John Chiaverini，一起领导林肯实验室的“囚禁离子”量子信息处理项目。“这些笼子里的陷阱，可以很好的工作。但是，实际上它们囚禁10到20个离子，他们基本极限就是差不多那么多。”
“表面陷阱”中离子距离带来的挑战
进行量子计算，需要单独，精确控制每个量子位的能量状态，并且通过激光束控制囚禁离子的量子位。在“表面陷阱”中，离子只有5微米的距离。通过外部的激光照射单个离子，而不影响它的邻居，十分的困难。只有很少的项目组之前可以做到，但是他们的技术对于大规模系统来说，并不实用。
研究小组的解决方案
Ram的研究小组，包括Ram 和麻省理工学院的电气工程毕业生，这项新研究的首作者，Karan Mehta，设计和构建了一套芯片上的光学器件，可以引导激光通向每个单独的离子。Sage, Chiaverini，和他们林肯实验室的同事，Colin Bruzewicz ，Robert McConnell，重组了“表面陷阱”，可以容纳集成的光学器件，而且并不影响性能。两个项目组一起设计了新系统，并且进行实验测试。
“代表性地，对于表面电极陷阱来说，激光束从光学台照射出来，并且进入整个系统。所以，‘光束振动或者移动’方面总是存在担忧，” Ram说。“通过光子集成，你不必担心激光束指向的稳定性。因为，它和电极都在同一个芯片上。所以，现在每个东西都进行了相互注册，所以是稳定的。”
新芯片的结构
研究人员的新芯片，建立在石英基片上。在石英的顶部，是一个氮化硅“波导”网络，指引激光穿过芯片的路径。在波导上面，是一层玻璃，再上面是铌电极。在电极内小洞的下方，波导进入一些列的连续脊，一种“衍射光栅”精确的设计引导光线通过小洞，并且聚焦成的激光光束，足够狭窄，可以瞄准芯片表面50微米之上的单个离子。
未来展望
通过这个原型芯片，研究人员评估了“衍射光栅”和“离子陷阱”的性能。但是，却没有一个机制，可以改变发送到每个离子散的光量。
在接下来的工作中，研究人员研究在衍射光栅中加入光的调节器，使得不同的量子位可以同时接受不同光线，强度随时间变化。这样，量子位变得更加高效。
这对于实用的量子信息系统来说很重要，因为系统可进行的量子操作的数目，受到量子位“并发时间”的限制。
参考文献：Karan K. Mehta, Colin D. Bruzewicz, Robert McConnell, Rajeev J. Ram, Jeremy M. Sage, John Chiaverini. Integrated optical addressing of an ion qubit. Nature Nanotechnology, 2016; DOI:
消息来源：http://news.mit.edu/2016/toward-practical-quantum-computers-0808
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