9月3日，勞倫斯利弗莫爾國家實驗室(LLNL)，加州大學伯克利分校、河濱分校和圣巴巴拉分校的研究人員，在Nature發(fā)表學術研究，首次利用3D打印技術將四極離子阱小型化，這是量子計算領域的一次重大突破。3D打印技術參考注意到，論文第一作者之一是中國學者Shuqi Xu。

右一為文章共同第一作者Xiaoxing Xia

離子阱的作用與小型化意義

四極離子阱有四個電極，它們產生振蕩電勢，通過覆蓋離子的固有振動來捕獲離子，類似于球類平衡挑戰(zhàn)游戲中，通過抬起或放下方形布的不同末端，來將球體保持在布的表面。這些離子阱可以將離子束縛數(shù)小時，直到它們逃逸。如果離子冷卻到基態(tài)（能量最低的狀態(tài)），它們就可以充當量子比特，即量子計算機中最基本的信息單位。

四極離子阱是實現(xiàn)量子比特操控和量子計算的重要技術。其裝置的小型化，可使量子計算系統(tǒng)更高效、更穩(wěn)定、更經濟，對量子計算的發(fā)展具有重要推動作用。

行業(yè)挑戰(zhàn)—性能與可靠性、可擴展性

量子比特需要盡可能長時間保持相干（量子態(tài)），并盡可能可靠地運行，以便研究人員有效地編碼數(shù)據并執(zhí)行操作。與其他方法相比，捕獲離子具有更長的相干時間，并且工作溫度更高——需要用激光將離子冷卻到基態(tài)，而不是低溫制冷。

然而，性能和可擴展性之間存在著權衡。在工業(yè)界，研究人員通常使用帶有表面電極的“平面”離子阱，這種離子阱可以很好地擴展，成為大規(guī)模信息處理系統(tǒng)的構建塊，但傳統(tǒng)的3D設計性能更佳。

最大的誤差源是噪聲，即與環(huán)境之間不受控制的相互作用，這些相互作用會導致量子系統(tǒng)的行為不可靠，而離子阱的表面目前是主要的噪聲源。

傳統(tǒng)3D離子阱、表面離子阱和3D打印的垂直離子阱

3D打印技術方案與設計突破

研究團隊在3D打印中看到了解決這一問題的潛在方案。他們設計并微型化的毫米級離子阱，采用超高分辨率雙光子聚合(2PP)3D打印技術制造，能夠限制鈣離子，其頻率、錯誤率和相干性可與最先進的技術相媲美，并可用于執(zhí)行單量子比特和雙量子比特操作。

3D打印離子阱的過程

材料工程部（MED）工程師兼共同第一作者夏曉星說道，“3D打印技術為我們提供了在高頻下有效捕獲離子所需的限制，而且我們還可以在同一芯片上制造多個離子阱，這與集成電路發(fā)明之前人們使用笨重的單個晶體管時的情況類似。3D打印技術可以讓我們超越這些傳統(tǒng)的離子阱，進入像我們目前的處理器這樣集成度更高的系統(tǒng)?！?/p>

3D打印離子阱的SEM圖像

該團隊可以在14小時內從零開始可靠的3D打印出一個微型離子阱，如果只在現(xiàn)有基板上打印電極，則只需30分鐘?？焖僦谱髟偷哪芰σ约皫缀跞魏闻渲玫拇蛴§`活性也讓他們有機會嘗試新的設計，例如基于經典3D設計的平面阱，該團隊開發(fā)、3D打印、微型化，并用于在低溫和室溫下捕獲離子。

“我們極大地擴展了可實現(xiàn)的離子阱幾何形狀范圍，并提高了其復雜性，”加州大學伯克利分校量子物理學教授Hartmut Haeffner表示?！半S著設計空間的擴大，我們現(xiàn)在可以以截然不同的方式思考如何優(yōu)化和小型化我們的離子阱?！?/p>

性能驗證—計算更為可靠和高效

3D打印的離子阱能夠以比常規(guī)3D離子阱和平面離子阱更高的頻率限制鈣離子，從而在電極之間產生深諧波勢，從而穩(wěn)定系統(tǒng)并提高相干性。這些離子阱通過限制兩個每隔幾分鐘交換位置的鈣離子來證明其穩(wěn)定性——與最先進的技術相媲美。

該團隊還成功將兩個量子“糾纏”在一起，操作的準確率達到了98%，同時執(zhí)行了單量子比特旋轉并測量了運動加熱速率，這量化了捕獲離子量子門的主要誤差源之一。

表面離子阱和3D打印的垂直離子阱的性能比較

工程師兼合著者Abhinav Parakh說道，“為了能夠駕馭（量子計算的）指數(shù)級計算能力，我們需要讓多個離子相互糾纏，讓它們靠近，進行計算，然后將它們拉開——而這可以通過3D打印結構高效地完成?！?/p>

未來集成與應用前景

隨著設計的不斷演進，該團隊的目標是將光子學和電子學集成在同一芯片上，使整個系統(tǒng)更加高效、緊湊。貝克還希望探索如何使量子計算機更加可靠、更易于控制。

“這種技術變革將使離子阱從僅能處理少量離子的工作狀態(tài)，發(fā)展到能夠進行計算，并最終有望用于計算機?！闭撐淖髡摺LNL物理學家Kristi Beck表示。

微型離子阱還可用于傳感和超精密原子鐘。如果激光冷卻系統(tǒng)能夠成功擴展并集成到芯片上，它們將成為精密計量領域緊湊型低功耗質譜儀的基礎。 夏曉星表示，“量子計算是3D打印技術發(fā)揮價值的重要領域，因為它們擁有其他制造技術無法提供的超高分辨率、精細特征和復雜3D幾何形狀制造能力?！?/p>

注：本文由3D打印技術參考創(chuàng)作，未經聯(lián)系授權，謝絕轉載。

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