利用声子，清华团队推出可扩展、可编程离子阱量子处理器 | 对话一作陈文涛

光子盒研究院出品

玻色子采样是光量子计算机的一个基准问题，也是实现量子计算优越性的潜在途径。现在，清华团队已经证明了一种基于捕获离子链中的振动模式来实现玻色子取样器的方案。

捕获离子是一个多功能的实验平台，处于量子技术的前沿，经常用于量子计算、量子模拟。在电场的限制下，单个原子离子通常呈线性排列，并拥有振动模式——声子，这一组合很像吉他弦上的泛音。

在大多数情况下，系统被编码在离子的内部电子状态中，例如，作为数字量子电路中的量子比特或量子模拟中的交互自旋。近日，发表在《自然-物理学》的论文（“可扩展可编程的捕获离子声子网络”，Scalable and Programmable Phononic Network with Trapped Ions）中，清华大学物理系金奇奂团队陈文涛等人将声子模式置于“舞台中央”，并将内部离子状态作为辅助自由度。

在传统的离子阱实验中，声子模式只被短暂地用来产生自旋-自旋相互作用，然后再被解耦。然而，这些模式代表了一个大的希尔伯特空间，以往的研究人员几乎没有开始利用，这也为不同的应用提供了机会。

一个这样的应用是玻色子取样问题。其目的是预测相互作用的玻色子模式网络的输出概率——这是一项艰巨的数学计算任务。在清华离子阱团队的这项工作中，声子取代了光子的位置，与内部离子状态相互作用而作为分束器。

一个声子捕获离子玻色子采样器。捕获离子链的不同横向振动模式被初始化，然后在一个完全可重新配置的网络中使用分束器的相互作用进行耦合。分束器是通过将两种模式耦合到一个离子的内部自旋态来实现的，使用一对激光束来产生自旋态和运动之间的耦合。该系统具有完全连通性，这意味着任何一对模式都可以在任何阶段被干扰 在任何阶段。最后，每个模式都被映射到一个离子的自旋态上进行读出。

这种方法有多种优势，因为单个声子比单个光子更容易生成，而且有更长的生命期。现在，陈文涛及其同事已经成功地组装了一个基于离子的玻色子采样器。

“已经证明，在一个谐波势的声子可以相干地转移到另一个谐波势，这些声子可以相互干扰，当我们了解到修改过的玻色子取样（高斯玻色子取样）也可以应用于化学问题（即振动取样）时，我们演示了SO2分子的取样，并开发了一种创建高度纠缠声子态的方法；然而这只限于单个离子。在这项工作中，我们最终以可扩展的方式实现了声子网络，克服了单离子的限制。”

(a)玻色子系统结构示意图。(b)四模式声子网络示意图；(c)声子态制备方案；(d)声子分束器实现方案；(e)声子态检测方案

这种基于声子的方案构建了全新的玻色子采样平台，这要归功于它的灵活性和系统中没有声子损失机制。与固定的光学网络相比，它可以随意重新配置，允许所有的模式相互连接，因为许多离子参与了每个模式。此外，离子加热率（造成误差的虚假声子的来源）对所有模式来说都很小，但质心模式(centre-of-mass mode)除外，该团队在实验中避免了这种模式。

最终，该研究结果展示了一条清晰的途径，可以扩展用于量子信息处理的声子网络，并突破经典和光子系统的一部分技术限制。与之前提出的其他光量子处理器相比，它更容易扩大规模，最终可以在复杂问题上实现更好的性能——该研究为量子计算和量子技术的进步开辟了新的可能性。

此次，清华团队展示的实验系统提供了另一种看待捕获离子系统的方式，它提供的玻色子控制提出了一个新的实验平台，将激发更多的离子-声子控制方案的发展。潜在的应用范围包括实现长期理论上的奇异系统，如声子的凝聚体和其他多体现象的研究，以及强相互作用系统的量子模拟进展，和一些核物理学方面经常遇到的问题。

这一研究得到了量子科学技术创新计划和国家自然科学基金的资助。该论文的通讯作者为清华大学物理系2017级博士生陈文涛、帝国理工大学M.S. Kim教授、清华物理系金奇奂教授；其中，陈文涛博士为论文的第一作者。近日，光子盒有幸邀请到了陈文涛博士，对相关成果进行了更为细致、深入的解读。

光子盒：请简介您的求学、工作经历？

陈文涛：我是 2013 年加入西安交通大学的物理实验班，攻读物理学专业的学士学位， 17 年毕业。在毕业之前，我是通过夏令营加面试的方法进入了清华大学，来到金老师组做离子阱、量子计算相关研究。我大概进入组的时间是在毕设的时候， 16 年年底就进入金老师的组内、进行系统的学习和科研的训练。

最开始的时候我从事的是类似于系统工程方面的研究，因为离子阱系统总体来说比较复杂，所以一般进组之后金老师都会首先给大家安排一些科研项目，在这些工作的基础上，可以让每个同学尽可能的熟悉系统、掌握整个操作。

大概在19 年年初，我接触了关于声子相关的量子计算分支，我最开始做一些理论上的研究：包括对于实验结果模拟，还有一些理论计算之类的工作。在经历了半年至半年的理论研究之后，开始做一个实验，这个实验开始进展的时候，因为我们希望能把实验尽可能做的好一些，所以其实花的实验相对比较长。

另外，20 年疫情开始，那个时候我们实验刚刚刚进行了一半，我们就被迫留在家里，大概因为是北京对于不让返校还挺严格的，所以当时我们经历了一个学期没有回实验室。回学校之后，我们再重新开始实验。大概等实验完成之后，再加上我们发论文的时间，包括跟评委互相沟通的时间也会比较久，所以其实也确实过了蛮长的时间，我们成果才最终面向大家公开。

光子盒：怎么理解量子系统中的“声子”概念？

陈文涛：我可以给您在这里先稍微介绍一下声子。正常来说，我们的使用的是镱离子。镱离子它是一个带电离子，我们在真空系统中施加了一个电场，把镱离子囚禁在我们电场里，这就是正常的离子阱系统。因为离子是带电的，所以带电离子会在系统中，相当于是它被电场囚禁在了一个真空里面——在这个真空里面，它可以不停的振动。

经典运动与它不同，在不同方向上有不同的运动模式。这样，每一个运动模式所具有的能量，实际上并不是一个连续变化能量，而是一个阶越式变化能量。也就是说，能量只能处在特定的一些值上：虽然这个值的总量是无限的，但是它在一个特定的时刻，它的运动能量只能是一个特定的值，并且这个值不是在能谱上无限连续的。这样非连续的这么一个能量，我们把它称之为声子。

因此，声子其实不是一个真实存在的离子，而是一个量子化能量。这类似于相对论中所进行的一些解释，就是粒子本身就是能量，可能能量本身也可以被理解成一种粒子。他们两个其实是互相关联的。只不过声子概念可能和我们平时说的离子（比如，光子、原子、分子），它可能声子概念相对来说会更加模糊一点，但实际上它是一种量子化的能量。

光子盒：为什么选择“离子阱中的声子”作为研究课题？

陈文涛：我们所研究的方向是在离子阱中，当多个离子紧密排列在势场中的时候，因为他们互相之间都带有电荷（根据库仑相互作用，带电主体应该是同级相斥、异级相吸）。这样库仑相互作用就像弹簧一样，将不同的离子在势场中连接在了一起。这样，当一个离子运动的时候，因为它们互相之间连着“弹簧”，所以其他离子也会跟着弹簧一起被拽着跳来跳去的。这样它们互相之间的运动会耦合起来，这样就构成了集体振动模式。

集体振动模式同样包含声子。因为不管它是怎么样的运动方法，它所具有在特定的运动轨迹上的能量具有量子化的特质。所以，即使是 5 个离子一起进行运动，他们同样可以构成声子。这就是我们离子阱中声子概念的来源。

我们为什么想研究声子？正常来，比如离子阱，我们正常需要做的是单比特门、双比特门，甚至多比特门。在离子阱中单比特门当然无所谓了，可以用激光来控制我们编码的互相翻转。但是如果是双比特门、多比特门，我们需要一种媒介来在不同的我们离子间传递信息：声子就像弹簧一样，当一个离子状态发生改变的时候，我们可以通过“弹簧”把状态改变的一部分信息传到另一个离子上。这样两个离子通过“弹簧”作为媒介，实现了他们内部能级编码。

玻色采样概念是说，当我有一个声子系统、它有特定的模式和特定的声子数，并且，当这些所有模式和所有声子入射到一个干涉仪之后，所经历对声子系统整个演化所进行的探测，是一个极其复杂的物理问题——这个物理问题通常无法被经典计算所模拟，这样它可以实现量子优势。基于这个观点，我们发现可以用系统中的声子来进行一个类似的事情。

不过我们在这里需要解决几个问题：我们能不能特定地制备声子态、让不同的声子模式之间进行干涉、能不能对声子态进行探测。

这就是我们选择这一课题的初始思路。

其实我对系统比较感兴趣的一个主要原因就是因为声子，其实是振动；而我们生活中、或在化学研究领域的很多分子，其实同样也是连在一起的原子：不同的原子通过相互作用连接在一起之后，其实也在振动。所以其实离子阱中的声子对或者对于玻色子系统研究的重要应用就是，它可以来模拟一些化学过程，或者模拟一些分子，由此来推断分子的一些特性。这个其实是我个人觉得在较短的时间内，我们可以看到离子阱实际应用的一个方向——这就是我的研究动力。

光子盒：声子学确实是一个新兴科研领域。介绍一下团队的具体实验过程？

陈文涛：其实离子阱中对于声子这些相互作用的研究其实也由来已久。最开始的其实在玻色采样概念提出之前，离子阱的运动模式已经被大家广泛研究了一些。最开始人们是在尝试，其实声子的探测相对来说简单一些，但声子的干涉可能没有那么直接。

最开始人们可能尝试的就是我在势阱中放了一个双势阱。比如我们可以理解成一个沙坑里面有几个离子，这几个离子因为互相排斥，所以他们在真空中可能会隔开一些距离；但是如果我在系统中放一个双势阱，意思是我挖两个沙坑，这样我可能是每个沙坑都可以单独放一个离子，它们之间距离比较远。

这两个离子的运动模式具有相同的频率。虽然他们可能在空间中有一定的间隔，但是他们具有相同的频率。一旦他们具有相同的频率，他们其实就可以互相交换能量——因为他们两个模式之间是互相谐振的。

所以，假设我先让一个离子运动起来，另一个离子是静止的，通过时间缓慢的等待，可能我不需要做任何操作，就可以发现一个离子的运动慢慢停下来、另一个离子运动慢慢开始。当它们的频率相同的时候，它们就互相谐振，产生能量的交换。

从这里开始，科学家们发现离子阱中的声子其实也是可以特定的进行制备干涉、测量。

之后慢慢的人们发现，除了让离子在真空中、或者单纯通过电过程进行相互演化这样的模式之外，其实我们可以同样使用激光来控制量子比特。在量子比特的基础上，我们让量子比特和声子模式耦合起来，用激光来间接控制声子模式进行干涉。这个过程大概是在 18 年的时候，第一次由我们组的一位学长完成，当时他所做的同样是一个单离子。

另外，补充一点，我们所处的空间是一个三维空间，所以在这里它有三个不同的自由度。比如离子，它同样可以在三个方向上以不同的频率进行振动：我们平时管它叫 x 方向、 y 方向、 z 方向。

18年时，我们组的一位学长就实现了一个让同一个离子在 x 和 y 方向两个运动模式之间的一个耦合，并且通过激光来进行操控、同时将这两个模式耦合在一起，因为激光可以设定特定的频率，使用特定的相位和特定的幅度。当频率满足这两个模式之间相互干涉的一个频率的时候，这个是很容易实现的，只需要一个简单的激光控制就行。然后，当满足特定频率的时候，这两个模式的声子同样可以在激光的引导下进行等量交换。这是我们最开始所构想的、并且在实验上实现的声子分束器。

研究中，两个振动模式通过在同一个离子上应用两个具有相同失谐的RSB转换而被连接起来，这有效地实现了分束操作（方法）。

接下来我们想尝试探索有没有办法可以让模式数量拓展。在实验中，我们实际使用的是 5 个离子。当我们在系统真空中囚禁了 5 个不同的离子的时候，它们因为刚才所说的库仑相互作用和运动模式之间的耦合，就会产生在同在每个方向上与离子数量相同的模式。

这里我解释一下，第一个模式是所有的离子向上、同时向上或同时向下运动，这是第一个模式；第二个模式我可以定义为比如第一个离子向下、第二个离子向上、第三个离子不动、第四个离子又向下、第五个离子又上又向上，这样它就是第二个模式。当离子的运动满足这样条件的时候，我就把它定义为第二个模式。同样，我们可以再依次定义 5 个模式。

这样其实我们就理解成，本来 5 个离子单独运动的自由度被耦合到了一起，但是他们总的自由度没有改变。我们同样可以在真空中或者通过求解，或者可以通过求解来得到特定性的、在单一方向上的、与离子数相同的振动模式数量。这样，如果我们在真空中不停地增加离子，让我们的离子链越来越长，我们可以利用的模式数量也会越来越多。同样，我们就会更加接近最开始所说的，实现玻色采样装置的目标；我们也可以通过用集体振动模式的方法来成功将更多的模式引入到系统中。

最开始的时候，因为只有单个离子处在势场中。而单个离子质量较轻、并且其实单个离子的运动没有非常复杂的耦合，这样，它一旦受到了背景噪声（比如，真空中的撞击、电子噪声的干扰），很容易就被推动了。离子一旦被推动，我们刚才说的声子（量子化的能量），就意味着能量增加、声子数发生了变化。这其实非常不好，因为我们希望尽可能地保证系统中的声子数守恒，因为我们需要知道系统中的一些特定信息来做处理。在这种情况下，如果离子一直都很容易被外界噪声激发、导致运动能量的改变，我们就没有办法对声子态或者对于整个系统做一个高保真操作。

我们最后决定，希望能够在多离子系统中来探索这么一个实现——玻色采样，我们目前初步已经构建了一个可编程并且具有扩展性的声子网络：通过激光，它实现了可编程，通过集体振动模式实现了可扩展。

光子盒：声子网络/玻色子网络，它在整个离子阱研究中，充当的是什么角色？

陈文涛：一般来说，其实我们的长期的目标一直都是比较确定的。我们想在目前，我们希望能够在单个势阱里边囚禁尽可能多个离子，并且我们想使用对每个离子可以进行独立的操作，比如我们的目标构建、或者是电传输等技术；我们希望构建一个尽可能性能指标高的一个系统。这是我们的一直以来的一个技术目标。

在这里其实可以细分成两个区域：第一个就是之前我们组发过的一篇 nature文章，想实现在一个离子链中如何能够快速的实现全局部门操作，并且保真度也会比较高，这是我们的一个研究方向；另外，我们声子也是一个并行的研究方向，因为它们两个所使用的系统完全一致，当我们离子链够长的时候，同样，我们的声子模式也会更多。

所以，这两个研究方向本质的要求都是我们能够增加我们系统中的离子数量，并且使我们在这个过程中让我们的操作尽可能的更加稳定、精确。

光子盒：团队后续还会有哪些研究计划、发展方向？

陈文涛：目前，我们运用五个离子，真正使用了 4 个模式。我们抛弃了一个模式：刚才所说的离子同时向上/同时向下的运动模式，其实很容易受到电磁噪声干扰，这样就没有办法保证它在操作过程中不失误，所以我们抛弃了这个模式。

我觉得首先还是要解决工程化的问题。其实离子阱系统的拓展并没有想象的那么容易，包括 Honeywell 和 IonQ，他们也做了很多年尝试、进行了大量的技术积累。其实他们相对来说也处在一个缓慢进步的过程中。我们同样的，也希望能够尽可能的跟随最前沿的步伐，把我们的工程先做好。

其实离子阱系统非常复杂，也分为很多个部分，光学部分、电学部分，都需要着重来进行工程处理，这样才能实现大规模的离子链的精准控制。所以我们接下来研究的主要目标还是希望把工程再做得好一些、系统表现再提高一些。这之后，我认为可能我会继续在声子方面，甚至量子化学模拟方向再深耕一下。

我们选择声子，其中一个原因也是玻色子研究或者对于声子的研究，在目前系统走量限制的情况下，比较容易接近经典计算来证明量子计算优越性。

论文链接：

Scalable and programmable phononic network with trapped ions | Nature Physics

参考链接：

[1]物理系金奇奂研究组在离子阱声子计算研究方面取得进展-清华大学 (tsinghua.edu.cn)

[2]https://phys.org/news/2023-03-scalable-programmable-quantum-phononic-processor.html

[3]Let the ions sing | Nature Physics

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