科研进展 | 魏茨曼科学研究所等：使用射频阱和动态光势进行囚禁离子量子计算的可扩展架构

基于线性射频阱中囚禁离子的量子比特具有高保真操作、全连接性和局域控制度等特点，令其成为一个成功的量子计算平台。原则上，可以限制在单个一维寄存器中的囚禁离子量子比特的数量没有基本限制。但在实践中，长囚禁离子晶体存在两个主要问题：离子运动的高加热速率和密集的运动谱；两者都会阻碍高保真量子比特运算的性能。这些问题源于它们在放大时运动模式的“软化”。

10月21日，以色列魏茨曼科学研究所、Quantum Art公司的研究人员在《Physical Review X》期刊上发表题为“Scalable Architecture for Trapped-Ion Quantum Computing Using rf Traps and Dynamic Optical Potentials”（使用射频阱和动态光势进行囚禁离子量子计算的可扩展架构）的研究论文，David Schwerdt（通讯作者）、Lee Peleg、Yotam Shapira、Nadav Priel为论文共同第一作者。

在本文中，研究人员提出了一种整体的、可扩展的、具有大型离子晶体的量子计算架构来克服上述两个问题。此方法依赖于动态操作的光势，该光势可立即将离子晶体分割成可管理大小的单元。结果表明，这些单元表现为近乎独立的量子寄存器，令在所有单元上存在平行纠缠门成为可能。将光势重构型的能力保证了整个离子晶体的连接性，且令研究人员能够进行高效的中间线路测量。之后研究了大规模并行多量子比特纠缠门的实现，这些门同时在所有单元上运行，并且还提出了一种补偿串扰错误的协议，从而能够全面使用非常大的寄存器。结果说明，这种架构对于容错数字量子计算和模拟量子模拟都是有利的。

背景

囚禁离子具有用作量子比特的理想特性，它们具有较长的相干时间、高效的态制备和检测技术以及高度的连接性。例如，通过在线性射频保罗阱中利用等距的离子晶体，可以形成数千或更多量子比特的量子寄存器。事实上，近年来已经有许多实验尝试使用越来越大的囚禁离子寄存器。

然而，大型离子晶体存在两个实际问题，阻碍了这一方向的进展。第一个是加热速率，即随着晶体中的离子数N的增加，由电场噪声导致的离子运动模式的加热急剧增加。特别令人担忧的是轴向质心模式，其频率通常随着1/N减少。而这种模式特别容易受到攻击，因为电场噪声在空间上往往是均匀的，并且针对的是低频模式。由此产生的显著加热率会阻碍高保真量子比特操作的实施，并可能破坏离子晶体的稳定性。

大型离子晶体的第二个问题是频谱拥挤（spectral crowding），即随着晶体尺寸的增加，相邻运动模式的频率变得非常紧密。对于具有密集模式频谱的大型离子晶体，分辨单个模式变得具有挑战性；这使得在两个或多个离子之间实现纠缠门变得复杂，这涉及到激发它们的共同运动。当然，频谱控制方法允许同时针对多种模式实现所需的高保真度量子比特耦合。虽然此类方法对于中等数量的离子（最多数百个）很有希望，但它们通常不能为任意大的离子晶体提供可扩展的解决方案。首先，实施这些方法必须解决的最优控制问题对于大型离子晶体变得难以解决。此外，已有强力的证据表明，可实现的最小门控时间由运动模式中最小的频率间隔决定。这意味着门控时间至少按照N^2扩展，这使得大型离子晶体对于量子计算来说速度极慢。

离子阱规模化的一个活跃方向是量子电荷耦合器件（quantum charge-coupled device，QCCD）架构。该装置涉及许多空间分离的囚禁位点，每个囚禁位点包含少量离子，位点之间的通信通过单个离子的穿梭来完成。这不可避免地导致硬件开销较高以及由离子穿梭和离子冷却时间主导的线路持续时间较长。另一种扩大规模的方法是使用光子互连来连接小规模离子晶体。由于目前通过互连的纠缠率较低，因此该方法同样会带来较高的开销，从而导致操作缓慢。

架构

研究人员提出了一种创新架构，即利用动态光学势将离子晶体分割成多个小单元，每个单元包含一定数量的量子比特。该方法的核心在于使用光镊产生的局域势来分割离子晶体。通过精确控制这些光学势，研究人员能够在不同的单元之间实现快速的重构型，从而在整个离子晶体中实现快速且大规模的量子比特连接。这种方法不仅降低了加热速率，还解决了运动模式频率密集的问题，因为每个单元内的离子数量较少，其运动模式的频率分布也相对简单。

图1：使用射频陷阱和动态光学势的可扩展囚禁离子量子计算机架构。

表1：本文所提架构（光学分割）、QCCD架构、光子互连方法之间的比较。

为了进一步增强量子计算的可靠性，研究人员还提出了一种协议，用于补偿在大规模量子比特操作中可能出现的串扰错误。这种串扰错误是由于不同单元之间的离子相互作用引起的，通过精确控制光学势，研究人员能够减少这种相互作用，从而降低串扰错误的影响。通过这种方法，研究人员能够将操作的不准确性降低到一个非常低的水平，从而实现了高保真度的量子计算。

实验方法

首先，研究人员通过精确设计控制脉冲，实现了对量子比特的精确操控。这些控制脉冲是通过激光束产生的，能够精确地驱动量子比特之间的相互作用，从而实现所需的量子逻辑门。研究人员利用了一种称为“大规模快速”（LSF）的方法，该方法通过多频率驱动来生成可编程的多量子比特门。这种方法不仅能够实现快速的量子操作，还能够通过迭代优化来补偿由于系统不完美引起的错误。

研究人员还展示了如何在光学势中嵌入辅助离子，这些辅助离子在量子计算过程中进行中间测量。这些测量是通过状态依赖的荧光来实现的，这种方法通常用于量子比特的状态检测。然而，由于散射光子通常会加热离子晶体，并且可能与邻近的离子共振，导致整个系统的量子态退化，因此中间测量在技术上具有挑战性。为了克服这些挑战，研究人员利用光学势中的辅助离子，这些离子的运动模式与其他晶体模式分离，因此光子散射加热保持局域，并且不会影响其他晶体模式。

在量子纠错（QEC）的应用中，研究人员展示了如何利用这些辅助离子来实现量子比特的错误检测和纠正。通过在量子计算过程中进行中间测量，研究人员能够检测并纠正量子比特中的错误，从而提高量子计算的准确性和可靠性。

图2：在光学分割离子晶体上的三维矩形化自旋模型的量子模拟。

图3：光学分割离子晶体上的量子纠错码。

图4：具有N=231个离子的离子晶体的轴向频谱，分割成S=6个单元。

图5：含有N=231个离子的光学分割离子晶体的径向模式频谱和由此产生的单元串扰。

图6：光学分割离子晶体的轴向激发速率。

图7：串扰缓解方法的性能是关于光学囚禁势ω_otp的函数，其根据图2中用于实现三维矩形化模型模拟的纠缠度进行评估。

图8：中间线路测量协议示意图（上图），40Ca+离子的能级图。

图9：能带依赖的量子比特耦合强度。

图10：关于ω_otp和B的串扰依赖性。

图11：具有S=5、C=32和B_A=B_B=3的光学分割离子晶体横模的带宽和模式结构。

主要研究人员

Roee Ozeri，魏茨曼科学研究所物理系教授。主要研究如何将囚禁离子作为量子信息载体和量子传感器，以及超冷离子-原子混合物与相互作用。

David Schwerdt，魏茨曼科学研究所物理系博士生。

Lee Peleg，魏茨曼科学研究所物理系博士生。

Yotam Shapira，魏茨曼科学研究所物理系博士生，Quantum Art研究员。

Nadav Priel，Quantum Art研究员，博士毕业于斯坦福大学。

参考链接