从量子传感器到量子计算机等许多量子设备都利用被电场和磁场捕获的离子或带电原子作为处理信息的硬件平台。
然而，目前的离子阱系统面临着重大挑战。大多数实验仅限于一维链或二维离子平面，这限制了量子设备的可扩展性和功能性。科学家们一直梦想着将这些离子堆叠成三维结构，但这非常困难，因为当以更复杂的方式排列时，很难保持离子的稳定和良好的控制。
为了应对这些挑战，来自印度、奥地利和美国的物理学家(包括 JILA 和 NIST 研究员 Ana Maria Rey，以及 NIST 科学家 Allison Carter 和 John Bollinger)进行了一项国际合作，提出调整捕获离子的电场可以创建稳定的多层结构，为未来的量子技术开辟令人兴奋的新可能性。研究人员在《物理评论 X》上发表了他们的研究成果。
雷伊说：“在完全可控的条件下，在两个或多个空间分离的层中捕获大量离子的能力，为探索纯二维晶体中不易获得的新状态和现象提供了激动人心的机会，例如拓扑手性模式、隐形传态和空间变化场的精确测量，所有这些都与量子信息科学有关。”
使用彭宁陷阱
在为量子计算而探索的各种平台中，捕获离子因其高度可控性和执行精确量子操作的能力而成为主要候选者。这些离子可以用激光或微波脉冲进行操纵，从而改变其量子态，使其能够被“编码”成特定信息。这些编码离子通常被称为量子比特或“量子位”。
在此过程中，离子还会受到库仑力或与其他离子的相互作用，物理学家可以利用这些力或相互作用来使它们纠缠在一起，从而降低系统的整体噪声并增强其测量效果。
“之前的研究表明离子晶体可以形成三维球形结构，但我们正在寻找一种实现二维层堆叠阵列的方法，”该论文的第一作者、印度科学研究所研究员 Samarth Hawaldar 在最近关于该论文的文章中解释道。
“我们开始探索在一种名为彭宁离子阱的特定类型的离子阱中实现这种结构的方法，因为这些离子阱擅长存储大量离子，通常为数百到数千个。”
在彭宁阱中，离子可以被迫自聚集成晶体结构，这种结构是由排斥的库仑相互作用和限制势(将离子安全地困在特定空间区域的电力和磁力的组合)之间的竞争产生的。
卡特解释说：“约束是通过电极堆栈产生的电磁力以及使离子在强磁场中旋转实现的。”
对于物理学家来说，潘宁阱特别有用，因为它们可以存储大量离子，使其成为实验更复杂的三维结构的好选择。潘宁阱已用于将离子排列成单一的二维层或更圆的三维形状。
用于量子信息处理的双层离子捕获晶体。我们展示了彭宁阱中双层晶体中 𝑁=200 个离子捕获的数值平衡结构的 3D 视图。标记根据离子 𝑧 坐标进行颜色编码，表示离子位置。陷阱中心(未显示)取为原点。在实验室框架中，晶体以可控的旋转频率绕垂直于层的中心轴旋转，即沿 𝑧 方向旋转。晶体结构显示在旋转框架中。来源：Physical Review X (2024)。DOI：10.1103/PhysRevX.14.031030
之所以会呈现圆形的三维形状，是因为这些陷阱中的限制电场通常随着与陷阱中心的距离而线性增加，就像理想的弹簧一样，自然地将离子引导到这些更简单的圆形结构中。
然而，研究人员尝试修改陷阱的电场，使其更加细致入微，并依赖于与陷阱中心的距离。这种微妙的变化使他们能够诱导离子形成一种新的结构——双层晶体，其中两个平坦的离子层相互堆叠。
研究团队进行了大量的数值模拟来验证他们的新方法，结果表明这种双层结构可以在某些条件下稳定下来，甚至表明可以扩展该方法以创建两层以上的晶体。
“我们很高兴能利用我们目前的彭宁陷阱装置在实验室中尝试形成双层晶体，”实验物理学家、该出版物的合著者约翰·博林格说。“从长远来看，我认为这个想法将促使我们重新设计陷阱的详细电极结构。”
离子捕获的新前沿
将离子捕获从二维转变为三维对于传感器或量子计算机等量子设备的未来具有重要意义。
印度科学研究所博士后研究员 Athreya Shankar 博士在最近关于这项研究的声明中表示：“双层晶体为量子信息处理开辟了一些新功能，而这些功能对于一维链或二维平面来说并不是直接可以实现的。”
“例如，在相距一定距离的大型子系统(如该系统中的两层)之间产生量子纠缠，是所有量子硬件都追求的功能。
研究团队迫切希望在彭宁阱中通过实验测试这些发现。如果成功，这可能导致新的量子硬件架构更有效地利用三维空间，从而提高量子技术的可扩展性和稳定性。
除了硬件机会之外，双层还开辟了新的量子模拟和传感可能性。
“例如，双层中离子的正常模式可以耦合垂直和径向自由度，有利于顺时针循环而不是逆时针循环，反之亦然，”雷伊详细阐述道。“这可以用来模拟电子在强磁场中但在完全可控的环境下经历的丰富行为。
“此外，更多的离子可以增强测量的信噪比，从而能够更精确地估计时间、电场或加速度等量，这对于发现新物理学非常重要。”
随着量子技术领域的不断发展，印度、奥地利和美国研究人员之间的这种合作至关重要。此类创新对于充分发挥量子计算、传感等领域的潜力至关重要。
