捕获离子的新方法——量子计算机的稳健运行

可运行的量子计算机是量子技术最令人期待的前景应用之一。 随着计算能力的显著提高，量子计算机将能够解决普通计算机无法处理的任务，比如理解和发明新材料或新药物，以及测试密码技术的局限性。为了降低错误率并更快地提供可靠操作，德国物理技术研究院（PTB）与汉诺威莱布尼兹大学的研究人员合作开发了一种基于捕获离子的新方法。该项成果发表在最新一期的Physical Review Letters上。

图：用于捕获离子的设备内部。右上角的特写显示了用于量子逻辑门的两个单离子图像

与传统计算机类似，术语“量子比特”或“量子位”是指量子信息中的基本单位。目前，实现它们最先进的方法是超导电路和捕获离子。前者将量子信息存储在电子组件中，后者将其存储在单个原子的不同能级中。通过使用超导电路，研究人员最近成功地演示了量子计算机能够执行常规计算机无法处理的任务。并且，与其他方法相比，离子在操作中产生的错误率大大降低。

在这一方法中，利用芯片结构上方的电场将离子在真空中捕获。通过嵌入芯片结构中的特殊导体环路发送微波信号来实现量子位运算。通常，逻辑运算是通过精细控制激光束进行的。使用微波场的优点是易于控制且技术成熟，因为它们已经在飞机、手机等众多产品中得到普遍应用。

研究人员研究了最有效的量子位运算方法，这也是与常规计算机芯片紧密相关的问题，因为每次操作所需的能量大小决定了芯片在过热之前每秒可以处理的最大数量。在对离子阱微波量子计算机的研究中，在能量输入相同且存在噪音的前提下。研究人员成功地证明了特殊形状的微波脉冲（磁场平滑地打开和关闭）产生的错误率比磁场仅在打开和关闭情况下低100倍，为此，研究团队在实验中引入了额外的，经过小心控制的噪声，并确定了不同注入噪声水平以及两种脉冲形状的操作误差。

研究人员证明了低错误率的基本操作是可行的，现在他们的目标是转移到更复杂的任务上，希望在每万次操作中出现的误差小于一个。为此，研究人员开发了获得ZL的微加工技术，支撑芯片结构中大量的量子位存储和操控。

该项目由德国研究基金会（DFG）和欧盟量子技术旗舰共同资助，为了将量子物理学的基础研究成果转化为技术，欧盟及其成员国计划在未来十年内向相关领域投资10亿欧元。