一组国际物理学家发现了一种新颖的方法，可以将离子组织成两个稳定的层，这可能会为量子计算机和其他基于原子的技术带来令人兴奋的新设计。
各种量子设备，从量子传感器到量子计算机，利用被电场和磁场固定的陷阱离子或带电原子进行信息处理。
尽管如此，现有的陷阱离子系统面临重大障碍。大多数研究局限于一维链或二维排列的离子，这限制了量子设备的可扩展性和能力。研究人员长期以来设想将这些离子组合成三维结构的可能性，但由于在更复杂的排列中保持离子的稳定性和控制的难度，这一目标一直是一个相当大的挑战。
为了应对这些挑战，来自印度、奥地利和美国的物理学家们建立了一个合作项目，其中包括JILA和NIST研究员Ana Maria Rey，以及NIST科学家Allison Carter和John Bollinger。他们提出，通过改变用于捕获离子的电场，可以创建稳定的多层结构，为未来量子技术的激动人心的进展铺平道路。他们的研究发表在《物理评论X》上。
Rey表示：“在完全可控的条件下，将大量离子捕获在两个或更多空间上分离的层中，令人兴奋地打开了探索新领域和现象的可能性，这些现象在纯二维晶体中难以实现，例如拓扑手性模式、量子传送，以及对空间变化场的精确测量——这些对于量子信息科学至关重要。”
利用佩宁陷阱
在考虑用于量子计算的众多平台中，陷阱离子因其高度控制能力和进行精确量子操作的能力而脱颖而出。这些离子可以通过激光或微波脉冲进行调整，从而改变它们的量子状态，使其能够“编码”特定信息。这些编码的离子被称为量子比特或“量子位”。
在此过程中，离子还通过库伦力相互作用，这可以用于使其纠缠。这种相互作用减少了系统内的整体噪声并改善了测量结果。
“以往的研究表明，离子晶体可以形成三维球形结构，但我们的目标是找到一种方法来创建堆叠的二维层阵列，”来自印度科学学院的首席作者Samarth Hawaldar解释道。“我们开始研究如何在一种称为佩宁陷阱的离子陷阱中实现这样的排列，这种陷阱因其能够容纳大量离子而闻名，通常数量从数百到数千不等。”
在佩宁陷阱中，离子由于排斥的库伦相互作用与约束势能之间的平衡，可以自然地聚集成晶体结构，约束势能是维持离子在特定区域内的电磁力的总和。
Carter解释道：“约束是通过一系列电极产生的电磁力实现的，并使离子在强磁场中旋转。”
佩宁陷阱对物理学家尤为重要，因为它们能够容纳大量的离子，这使其理想于研究更复杂的三维结构。这些陷阱已经成功地将离子排列成单个二维层或更圆的三维形状。由于这些陷阱中的约束电场通常随离子与中心的距离线性增加，像理想弹簧一样，指导离子形成这些更简单的构造而出现圆形结构。
然而，研究人员寻求调整陷阱的电场，使其更加复杂并依赖于离子与陷阱中心的距离。这一小的修改使他们能够促进离子形成一种新型结构——一个双层晶体，由上下两个平坦的离子层组成。
研究小组进行了广泛的数值模拟来支持他们的新方法，表明在特定条件下，这种双层结构可以稳定，甚至暗示这种技术有潜力扩展到构建更多层的晶体。
“我们很高兴能够尝试在实验室中使用我们目前的佩宁陷阱设备形成双层晶体，”合著者、实验物理学家John Bollinger感慨道。“从长远来看，我相信这个概念会启发我们重新设计陷阱的电极结构。”
离子捕获的新视野
将离子捕获从二维过渡到三维对未来的量子设备，包括传感器和量子计算机，具有深远的影响。
印度科学学院的博士后研究员Athreya Shankar博士表示：“双层晶体提供了多种新能力来处理量子信息，这些能力在一维链或平面中并不简单。”
“例如，在该系统的两个层之间产生远程大子系统的量子纠缠，是各种量子硬件平台上非常渴望的能力。”
研究小组渴望使用他们的佩宁陷阱进行实验测试。如果成功，这些努力可能会导致新型量子硬件设计，这些设计优化了对三维空间的利用，从而增强量子技术的可扩展性和可靠性。
除了硬件进展，双层结构还可能为量子模拟和传感引入新的可能性。
Rey补充道：“例如，双层中离子的正常模式可以与垂直和径向维度相互作用，倾向于顺时针而非逆时针循环，反之亦然。这可以模拟电子在强磁场下的复杂行为，但在完全可控的环境中。此外，更多的离子可以提高测量中的信噪比，从而更准确地评估时间、电场或加速度等量，这对于发现新物理至关重要。”
这项来自印度、奥地利和美国的研究者之间的合作是量子技术不断进步的关键。像这样的创新对于释放量子计算、传感以及更多领域的全部潜力至关重要。
这项研究得到了美国能源部科学办公室、国家量子倡议(NQI)科学研究中心和量子系统加速器(QSA)的支持。
