康奈尔大学的研究人员开发出一种基于芯片的激光冷却技术，可在150微秒内使囚禁离子接近其量子基态，有望缓解量子计算中的一项主要时间瓶颈。
该方法比传统激光装置快约三倍，后者需要约500微秒。它还可同时冷却离子运动的三个不同模式，而无需对每个模式分别执行冷却操作。
这些结果表明，在研究人员构建更大规模量子计算机的过程中，集成光子学可改善对囚禁离子的控制。
该研究由康奈尔大学杜菲尔德工程学院电气与计算机工程助理教授卡兰·梅塔（Karan Mehta）领导。
冷却成为量子操作的时间瓶颈
囚禁离子量子计算机使用电磁场中保持的带电原子来存储和处理量子信息。其精度使其成为有前景的量子计算候选方案，但不受控制的原子运动可能干扰操作。
研究人员必须反复使用激光去除这种运动，并将离子冷却至接近其最低能态。这些冷却过程可能占据量子计算机运行时间的很大一部分。
梅塔表示，冷却，尤其是冷却至量子基态，已成为领先囚禁离子系统中的一个主要瓶颈。
为解决这一问题，康奈尔团队开发了一种方法，通过微加工离子阱芯片上的集成光学组件传输精确控制的激光。
研究人员将两束激光沿相反方向引导以形成驻波，即高强度与低强度区域交替的图案。他们将一个囚禁钙离子置于低强度点，即波节，以抑制在冷却离子运动时可能加热离子的不必要光相互作用。
驻波加速冷却
团队将该光学配置与一种称为电磁诱导透明（EIT）冷却的技术相结合。该方法在约150微秒内使目标运动接近量子基态，而传统行波激光装置需要约500微秒。
实验还展示了在跨度约5兆赫的三个可测运动模式上同时冷却。目标模式达到约0.05的平均声子占据数，同时研究人员使可测模式接近其基态。
结果还表明冷却可低于传统多普勒极限，从而在实验上验证了一项长期存在的理论预测。
该方法的一个重要组成部分是其集成光传输系统。芯片可路由控制离子所需的多种波长，从紫外到近红外光。团队还开发了封装，使器件能够在低温下工作。
这些芯片通过与苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）合作，在荷兰进行商业制造，而康奈尔大学的设施帮助准备了实验器件。
扩展囚禁离子计算机
该演示涉及单个钙离子，而非多离子量子处理器。然而，研究人员表示该方法可应用于更大规模的囚禁离子系统。
随着处理器扩展到更多量子比特，将光学组件集成到离子阱器件中可减少对复杂外部激光装置的依赖。跨多个运动模式的更快冷却也可减少为量子操作准备离子所需的时间。
研究人员表示，这项工作表明，为扩展量子计算机而开发的技术也可改善这些系统所依赖的基础操作。
该研究发表于 PRX Quantum。
