離子糾纏會是量子計算機的未來嗎？

nist量子計算實驗中使用的離子陷阱（ion trap），通過用兩種不同種類離子形成的量子比特進行邏輯運算。

不久前，兩個研究團體——一個來自位于科羅拉多州巨石城美國國家标準技術研究所（nist），另一個來自牛津大學——報告了他們首次完成的糾纏不同種類粒子的實驗。

即使糾纏粒子之間的距離有幾個星系那麼遠，它們的量子屬性仍然相連（linked）。糾纏粒子将會成為未來量子計算機的基本子產品（building blocks）。到現在為止，科學家們已經完成了光子、電子以及離子的糾纏——相同種類的情況下。來自nist的團隊在《自然》雜志上報告了他們成功地将鋁離子（mg）和铍離子（be）糾纏起來，然後運用這樣的糾纏離子展示了2種重要的邏輯運算：cnot閘（受控反閘，controlled-not）和swap閘（互換閘）。牛津大學的科學家們将鈣的兩種同位素（40ca和43ca）的離子糾纏起來，然後也用測試證明了這樣兩種離子能夠恰當地（properly）進行糾纏。他們同樣也把成果發表在了《自然》雜志上。

由于離子帶有正電荷，它們可以被一種稱為保羅陷阱（paul trap）的交叉電磁場所俘獲。保羅陷阱在本質上是一個帶有用來提供電磁場的電極的小玻璃管，迫使糾纏離子分開幾微米遠的距離，進入最低能量位置（minimum-energy positions）。保羅陷阱被置于一個大型的1立方米的真空空間中，以此來最小化周遭空氣中的分子帶來的影響——空氣中的分子可能會破壞被俘獲離子的糾纏狀态，ting rei tan這樣解釋道，他是nist參與這項研究的實體學家之一。

一旦離子被俘獲，科學家們就用雷射脈沖（laser pulse）同時轟擊它們——這會令它們能夠保持足夠長時間的糾纏态來進行實驗——其中一道脈沖也用來偵測這對糾纏離子的量子狀态。由于是不同種離子的糾纏，是以不同的離子會對不同波長的光有反應，那麼它們就能被分開來單獨偵測；也就是說，一個離子對于某種脈沖産生反應時，另一個是不會受到脈沖影響的。

不同種離子的糾纏也會在另一方面有反應差異。一個離子需要得到強力的轟擊才能改變它的量子狀态，但随後它能夠在新的量子狀态中保持更長的時時間——它的退相幹（decoherence）時間很長。另一個離子對于外界的幹擾非常敏感，但退相幹很快。

這種神奇的量子行為可能會為量子計算中的一種常見問題帶來解決方法，chris ballance說道，他是牛津大學研究團隊的一員：

“你有這兩種互相沖突的要求：你希望系統是與環境相當隔絕的，這樣的話你的量子狀态就不會被周遭環境中的事物搞砸；當你想要操縱這個系統的時候，你又希望它能和環境相容得相當好。你想要有一個按鈕，按下它就能改變一部分的量子狀态——這牽扯到環境和系統強有力的互動”

通過這種方法，科學家們能夠用1對糾纏量子來進行2種量子運算：控制量子比特，以及将資料儲存進存儲器。那些對于環境敏感的量子比特，生命周期很短，而那些對于外部世界不敏感的量子比特則能将糾纏态保持更長的時間，是以也就是能将攜帶的資料儲存更長的時間。

“通過這種方法，我們能夠在保有我們的蛋糕的同時又吃掉了它。我們有一個能夠和環境相容相當好的系統，也有一個獨立的、具有很好的存儲能力（memory）的系統，”ballance說道。

雖然這是非常重要的一個進展，但真正建立起一台使用這種糾纏量子的量子計算機仍然是一個讓人望而生畏的任務。“我們邁出了稚嫩的第一步……未來的量子計算機将會需要更多的量子比特，數量可能上百，”來自nist的tan說道。

在這種量子計算機裡，有兩種可能的方法來連接配接量子比特：一個巨大到包含了整台計算機的保羅陷阱，或是運用“飛行量子比特”（flying quibite）。根據ballance的說法：

“第一種方法是制作一個相當複雜的保羅陷阱，裡面有許多電極，你可以用這些電極來開啟和關閉閘門、以此控制離子前進或者後退——你可以把它想象成一個非常複雜的街道網格，電極在移動着，将離子推往陷阱的不同區域。另一種方法是制作許多獨立的小型陷阱，然後利用交換量子（interface qubits）來模拟光纖中嵌入的光子，像光纖一樣将許多這樣的小型系統連接配接在一起。”

本文轉自d1net（轉載）