研究人员已经设计出一种新技术，利用彭宁阱中的改性电场将离子困在三维结构中，从而形成稳定的双层晶体。
这一创新为更复杂的量子设备的发展铺平了道路，并且可以通过更有效地利用空间来彻底改变量子计算和传感。
量子设备挑战
从量子传感器到量子计算机，许多量子设备都使用电场和磁场捕获的离子或带电原子作为处理信息的硬件平台。
然而，当前的离子阱系统面临着重要的挑战。大多数实验仅限于一维离子链或二维离子平面，这限制了量子设备的可扩展性和功能性。科学家们长期以来一直梦想将这些离子堆叠成三维结构，但由于在更复杂的排列中很难保持离子的稳定性和可控性，因此这非常困难。
离子阱技术的突破
为了应对这些挑战，印度、奥地利和美国的物理学家（包括JILA和NIST研究员Ana Maria Rey，以及NIST科学家Allison Carter和John Bollinger）展开了国际合作，提出调整困住离子的电场可以形成稳定的多层结构，为未来的量子技术开辟令人兴奋的新可能性。研究人员在《物理评论快报》上发表了他们的研究成果。
雷伊说：“在完全可控的条件下，将大量离子捕获在两个或更多空间分离的层中的能力，为探索在纯二维晶体中难以获得的新领域和新现象提供了令人兴奋的机会，如拓扑手性模式、空间变化场的量子隐形传态和精确测量，这些都与量子信息科学有关。”
利用彭宁阱增强量子计算
在探索的量子计算平台中，离子阱由于高度可控性和执行精确量子操作的能力，已成为主要候选对象。这些离子可以用激光或微波脉冲来操纵，改变它们的量子态，从而允许它们被“编码”成特定的信息。这些编码的离子通常被称为量子比特或“量子位”。
在此过程中，离子还会经历库仑力或与其他离子的相互作用，物理学家可以利用这些力将它们纠缠在一起，从而减少系统的整体噪声并增强其测量能力。
论文的第一作者、印度科学研究所研究员 Samarth Hawaldar 在最近一篇关于这篇论文的文章中解释说：“先前的工作表明离子晶体可以形成三维球状结构，但我们寻找的是实现二维层堆叠阵列的方法。”“我们开始探索在一种称为彭宁阱的特定类型的离子阱中实现这种结构的方法，因为这些阱擅长存储大量离子，通常是数百到数千个。”
在彭宁阱中，离子可以被迫自组装成由排斥性库仑相互作用和约束势（即保持离子安全地困在特定空间区域的组合电磁力）之间的竞争产生的晶体结构。
卡特解释说：“通过电极堆产生的电磁力以及使离子在强磁场中旋转来实现约束。”
对于物理学家来说，彭宁阱特别有用，因为它们可以储存大量的离子，从而成为实验更复杂的三维结构的一个好选择。彭宁阱已经被用来将离子排列成单一的二维层或更圆润的三维形状。这些圆润的三维形状是因为这些陷阱中的约束电场通常随着与陷阱中心的距离而线性增加，就像一个理想的弹簧，自然地将离子引导到这些更简单、更圆润的形状中。
然而，包括印度理工学院孟买分校的普拉克里蒂·沙希（Prakriti Shahi）在内的研究人员，试图对陷阱的电场进行修改，使其更加微妙并依赖于与陷阱中心的距离。这一微妙的变化使他们能够诱导离子形成一种新型结构——双层晶体，即两层扁平的离子相互堆叠。
研究团队进行了广泛的数值模拟以验证他们提出的新方法，结果表明，这种双层结构在某些条件下可以保持稳定，甚至表明有可能扩展该方法以创建超过两层的晶体。
“我们很高兴尝试使用当前的彭宁阱装置在实验室中形成双层晶体，” 实验物理学家、本文合著者约翰·博林杰说。“从长远来看，我认为这个想法将激励我们重新设计陷阱的详细电极结构。”
离子捕获的新前沿
将离子捕获从二维变为三维对传感器或量子计算机等量子设备的未来具有重大意义。
印度科学研究所的博士后研究员Athreya Shankar博士在最近的一份关于这项研究的声明中说：“与一维链或二维平面相比，双层晶体为量子信息处理开辟了几种新的能力。”“例如，在通过一段距离分离的大子系统之间（如本系统中的两层）产生量子纠缠，是所有量子硬件都梦寐以求的能力。”
该团队渴望在他们的彭宁阱中通过实验来验证这些发现。如果成功，这可能会带来全新的量子硬件架构，从而更有效地利用三维空间，进而提高量子技术的可扩展性和鲁棒性。
除了硬件机会外，双层结构还开辟了新的量子模拟和传感可能性。
“例如，双层中离子的正常模式可以耦合垂直和径向自由度，使顺时针循环优于逆时针循环或反之亦然，”Rey 解释道。“这可以用来模拟电子在强磁场中的丰富行为，但要在完全可控的环境下进行。此外，拥有更多的离子可以提高测量中的信噪比，从而能够更精确地估计时间、电场或加速度等数量，这对于发现新物理学可能非常重要。”
随着量子技术领域的不断发展，印度、奥地利和美国研究人员之间的这种伙伴关系至关重要。这样的创新对于实现量子计算、传感等方面的全部潜力至关重要。
参考：“用于量子信息处理的捕获离子双层晶体”，作者：Samarth Hawaldar、Prakriti Shahi、Allison L. Carter、Ana Maria Rey、John J. Bollinger 和 Athreya Shankar，2024 年 8 月 16 日，Physical Review X。DOI: 10.1103/PhysRevX.14.031030
这项工作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。
