离子阱量子计算：微观粒子的激光操控与量子态测量

离子阱量子计算机

: 技术整合与光学挑战

与超导、光量子等路线不同，离子阱量子计算机需深度融合真空技术、激光与光学系统、射频/微波工程及相干电子控制等多学科技术。2018年前，IonQ是该领域的唯一代表；但自2020年起，霍尼韦尔（现Quantinuum）凭借量子体积（Quantum Volume, QV）指标实现全球领先。目前，Quantinuum、IonQ、AQT等企业均已突破20量子比特规模，并向实用化迈进。

那么，离子如何被捕获，又如何被控制呢？

首先将单个或多个离子稳定囚禁在阱内，形成线性或二维离子链: 利用射频（RF）电场和静电场构建的保罗阱（Paul Trap） (如下图1与图2)或 彭宁阱（Penning Trap） 产生动态电势阱，通过电磁场力平衡离子的运动。常用钙（Ca⁺）、钡（Ba⁺）或镱（Yb⁺）离子，因其能级结构适合激光操控。射频陷阱依赖于势的时间变化，离子在这个陷阱势中的稳定性取决于射频势和离子本身的参数：离子的电荷质量比、射频频率、射频振幅和电势曲率等。 

图1: 射频（RF）线性保罗陷阱的示意图

红色：施加射频（RF）电压的电极; 黄色：生成静态电场，沿纵轴封闭势能的电极（称为 end-cap）;灰色：沿纵向轴线 z 对齐的带电粒子的示意表示，该轴线上的射频电场理想情况下为零(图片来源*)

图2: 射频（RF）平面线性保罗陷阱的示意图

红色：施加相同射频（RF）电压的电极 ; 黄色：生成静态电场，沿纵轴封闭势能的电极; 蓝色：其他电极上施加的静态电压，用于形成纵向的封闭势; 灰色：沿纵向 z 轴对齐的带电粒子的示意表示(图片来源*)

其次离子捕获后，需要通过激光冷却技术将离子冷却到接近其量子力学基态。这是实现精确量子操作的前提。 

图3 离子阱量子计算的光学系统布局 

离子阱实验平台的光学系统布局如图所示。绿色标注区域为超高真空腔体，内含离子（以黑点表示）。冷却光束（422 nm）与再泵浦光束（1092 nm）分别通过保偏光纤传输至平台（参见图4与图5），经偏振滤波后，部分功率由光电二极管实时监测并用于功率伺服控制。每束光随后被分束为两路：其中一路将422 nm与1092 nm激光在平行于阱表面的第一轴上叠加，用于离子冷却，并同时叠加光电离激光；另一路再泵浦激光以与垂直轴成25°角的方向投射。第二路冷却光束则以45°角平行于阱表面入射。CCD相机用于实时监测阱区光束轮廓，确保精细对准。(图片来源*)

通过多普勒冷却和边带冷却将离子动能降至微开尔文（μK）量级。 

图4 : 冷却光束422 nm的光学配置（仅展示关键组件）。

饱和吸收模块用于激光频率伺服控制，通过光学腔将频率锁定传递至1092 nm再泵浦激光。声光调制器（MAO）由电压控制振荡器（VCO）驱动，工作频率约220 MHz，可实现±0.5 MHz的激光频率调节（受VCO非线性限制）。光束经保偏光纤耦合后传输至离子阱实验平台。(图片来源*)

随后，借助激光的光学泵浦技术将离子电子态精准初始化至特定量子态，如 |0⟩ 或 |1⟩， 使其保真度超过99.9%。

图5:再泵浦激光1092 nm的配置（仅展示关键组件）。

光学腔将频率锁定从422 nm激光同步至红外激光，并调控其频率。声光调制器（MAO）以固定频率100 MHz工作，光束经保偏光纤耦合后传输至实验平台。(图片来源*)

利用激光操控离子，执行量子逻辑门操作，如单量子比特门和双量子比特纠缠门。单量子比特门通过激光或微波脉冲驱动离子的电子跃迁实现任意旋转，而双量子比特门则依赖离子的集体振动模式（声子）作为中介，利用激光诱导的偶极相互作用（如Cirac-Zoller或Mølmer-Sørensen方案）生成纠缠，两类操作保真度分别可达99.9%和99%以上。此后，量子态读取通过共振激光激发荧光信号实现，基态与激发态的光子散射差异由高灵敏度探测器解析，误差率低于1%。为延长系统相干时间并抑制噪声，需结合动态解耦脉冲序列与量子纠错码（如表面码）主动修正误差。

离子阱量子计算在光学方面的难点和技术涉及到精确的激光操控和精细的环境控制，以实现和维持量子比特（qubit）的稳定性和相干性。

激光需精确操控单个离子的量子态，光学系统需实现纳米级波前控制与长时间稳定性，任何微小畸变（如离焦、像差）均会导致量子门误差率飙升。

Phasics高分辨率波前传感器通过以下维度提供关键支撑:

1. 光束质量全面实时对准与稳定性控制诊断：

单次全息测量： 超高动态范围(>500μm)，可同时捕获大尺度离焦与纳米级高阶像差（如球差、彗差），避免传统干涉仪需多次切换量程的繁琐流程。SID4系列传感器可在单次曝光中同步获取波前（灵敏度<1nm）、强度分布图及光束参数（M²、束腰位置），确保用于离子冷却与量子门操作的激光束严格满足精度要求。

全波长模块化设计，紫外波段覆盖：支持190nm深紫外至14μm长波红外，完美匹配Yb⁺（369nm）、Sr⁺（674nm）等常用离子跃迁波长，避免传统夏克-哈特曼传感器在UV波段因衍射极限导致的测量失效。同一平台兼容UV-VIS-IR，支持离子阱研发中多波长激光系统（如冷却光、泵浦光、探测光）的快速切换检测，降低实验室设备投资成本。

2. 实时对准与稳定性控制闭环校正闭环校正：

动态波前监测：通过实时显示波前倾斜（Tilt）、离焦（Defocus）等Zernike像差，辅助工程师在真空腔体装配或激光路径调整中实现高对准精度，将离子阱电极与激光束的共线误差降至最低。

自适应光学校准闭环校正：与变形镜闭环控制结合，可主动补偿由温度漂移或机械振动引起的波前畸变，维持长时间量子纠缠实验的光束稳定性。

3. 光子器件微纳表征：

折射率断层扫描：基于定量相位成像（QPI）技术，非侵入式测量波导、光子芯片的折射率分布（精度达10⁻⁴），助力开发用于离子阱集成化的低损耗光纤耦合器与微光学元件。

4:面向量子实验室的工程化设计

抗振动封装：适应无隔振光学平台环境，确保在离子阱真空系统旁直接部署。

5.Python/Matlab API：无缝集成量子控制系统，实现波前数据与离子荧光信号的跨平台关联分析。

SID4-HR

图片来源*:   Piégeage et refroidissement d’ions strontium dans des pièges micro-fabriqués.-Benjamin Szymanski, le 4 décembre 2013