量子计算机在很大程度上是假设设备，可以比传统计算机快得多地执行某些计算。量子计算机由量子比特或量子比特组成，而不是可以表示0或1的经典计算比特，在某种意义上，它们可以同时表示0和1。

尽管在实验室中已经演示了具有多达12个量子比特的量子系统，但是构建足够复杂的量子计算机以执行有用的计算将需要使量子比特技术小型化，这与使现代计算机的晶体管小型化的方式非常相似。

陷阱离子可能是最广泛研究的量子比特技术，但它们历来需要大型复杂的硬件设备。在今天的自然纳米技术研究中，来自麻省理工学院和麻省理工学院林肯实验室的研究人员向实用量子计算机迈出了重要的一步，其中一篇论文描述了一种可以在电场中捕获离子的原型芯片，并且通过内置光学系统，可以向每个人提供直接激光。他们。

“如果你看一下传统的组件，它就是一个内部有真空的桶，里面就是这个捕获离​​子的笼子。然后基本上整个实验室的外部光学系统将激光束引导到离子组装，“麻省理工学院电气工程教授，该论文的高级作者之一Rajeev Ram说。“我们的愿景是利用该外部实验室并将其中的大部分微型化到芯片上。”

笼中

林肯实验室的量子信息和纳米系统综合小组是已经致力于开发更简单，更小的离子阱(称为表面陷阱)的几个研究小组之一。标准离子阱看起来像一个小笼子，其棒是产生电场的电极。离子排列在笼子的中心，平行于杆。相反，表面陷阱是在其表面嵌入电极的芯片。离子在电极上方悬停50微米。

笼式捕集器的尺寸本质上是有限的，但表面陷阱原则上可以无限延长。使用当前的技术，它们仍然必须保持在真空室中，但是它们将允许更多的量子比特被塞进内部。

“我们相信表面陷阱是使这些系统能够扩展到大规模量子计算所需的大量离子的关键技术，”Jeremy Sage说道，他与John Chiaverini一起领导林肯实验室的被困离子量子信息处理项目。“这些笼式疏水阀工作得非常好，但它们实际上只能用于10到20个离子，而且它们基本上最大化了。”

然而，执行量子计算需要独立地精确控制每个量子位的能量状态，并且用激光束控制陷阱量子位。在表面陷阱中，离子仅相隔约5微米。使用外部激光击中单个离子而不影响其邻居，是非常困难的; 以前只有少数几个小组尝试过，而且他们的技术对于大规模系统来说并不实用。

上船

这就是Ram的团队进入的地方.Mam和Karan Mehta是麻省理工学院电气工程专业的研究生，也是新论文的第一作者，他设计并制造了一套片上光学元件，可以将激光引向单个离子。Sage，Chiaverini和他们的林肯实验室同事Colin Bruzewicz和Robert McConnell重新调整了他们的表面陷阱以适应集成光学系统而不影响其性能。两个小组一起设计并执行了实验以测试新系统。

“通常情况下，对于表面电极陷阱，激光束来自光学平台并进入该系统，因此总是存在对光束振动或移动的担忧，”Ram说。“通过光子集成，您不必担心光束指向稳定性，因为它们都在电极所在的芯片上。所以现在一切都互相登记，而且稳定。“

研究人员的新芯片建立在石英基板上。在石英的顶部是氮化硅“波导”网络，其将激光穿过芯片。波导上方是一层玻璃，其上面是铌电极。在电极的孔下面，波导分成一系列连续的脊，一个精确设计的“衍射光栅”，将光线引导通过这些孔并将其集中到一个足够窄的光束中，使其能够瞄准一个50微米以上的单个离子。芯片的表面。

前途

利用原型芯片，研究人员正在评估衍射光栅和离子阱的性能，但没有改变传递给每个离子的光量的机制。在正在进行的工作中，研究人员正在研究在衍射光栅中增加光调制器，以便不同的量子位可以同时接收不同时变强度的光。这将使量子位的编程更有效，这在实际的量子信息系统中是至关重要的，因为系统可以执行的量子操作的数量受到量子位的“相干时间”的限制。

“据我所知，这是第一次将光波导整合到同一芯片中作为离子阱的重要尝试，这是将离子陷阱量子信息处理器[QIP]扩展到路径上的重要一步。这种大小最终将包含进行有用QIP所需的量子位数，“牛津大学物理学教授大卫卢卡斯说。“陷阱离子量子比特因能够在少量量子比特上实现破纪录的相干时间和非常精确的操作而闻名。可以说，需要取得进展的最重要领域是能够将系统扩展到更大数量的量子比特的技术。这正是这项研究令人印象深刻的需要。“

“当然，重要的是要意识到这是第一次演示，”卢卡斯补充道。“但是相信技术可以大幅改善的前景很好。作为第一步，这是一项很棒的工作。“