當(dāng)你走進一個量子實驗室，科學(xué)家們在那里捕捉離子，你會發(fā)現(xiàn)長凳上擺滿了鏡子和透鏡，所有的聚焦激光都用來擊中“被困”在芯片上方的離子。通過使用激光來控制離子，科學(xué)家們已經(jīng)學(xué)會了利用離子作為量子比特，或量子比特—量子計算機中的基本數(shù)據(jù)單位。但是，這種激光裝置現(xiàn)在阻礙了研究，使人們很難用幾個以上的離子進行實驗，也很難將這些系統(tǒng)帶出實驗室進行實際使用。

現(xiàn)在，林肯實驗室的研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種將激光傳輸?shù)奖徊东@離子上的緊湊方法。在《自然Nature》雜志上發(fā)表的一篇論文中，研究人員描述了一種插入離子阱芯片的光纖塊，將光耦合到芯片本身制造的光波導(dǎo)上。通過這些波導(dǎo)，多個波長的光可以穿過芯片并釋放出來，擊中上面的離子。

如上圖所示光纖將激光直接耦合到離子阱芯片中。使用時，芯片在真空室中低溫冷卻，芯片上的波導(dǎo)將光傳送到芯片表面上方的離子，用于執(zhí)行量子計算。

論文作者、林肯實驗室量子信息和集成納米系統(tǒng)組的高級職員 Jeremy Sage說：“這一領(lǐng)域的許多人都清楚，傳統(tǒng)的方法，使用鏡子和透鏡等自由空間光學(xué)技術(shù)，只會走到這一步。如果光被帶到芯片上，它可以被引導(dǎo)到許多需要它的地方。許多波長的集成傳輸可能會導(dǎo)致一個非�？蓴U展和便攜的平臺。我們首次證明這是可以做到的�！�

多種顏色

計算捕獲離子需要精確地獨立地控制每個離子。自由空間光學(xué)可以很好地控制一維短鏈中的一些離子。但是在一個更大的或二維的原子團中擊中一個離子，而不擊中它的鄰居，是非常困難的。當(dāng)想象一臺實用的量子計算機需要數(shù)千個離子時，這種激光控制的任務(wù)似乎不切實際。

這個迫在眉睫的問題讓研究人員找到了另一種方法。2016年，林肯實驗室和麻省理工學(xué)院的研究人員展示了一種內(nèi)置光學(xué)元件的新芯片。他們將一束紅色激光聚焦到芯片上，芯片上的波導(dǎo)將光傳送到光柵耦合器上，這種耦合器是一種隆隆的長條，用來阻止光線并將其引導(dǎo)到離子上。

紅光對于做一個稱為量子門的基本操作至關(guān)重要，這是團隊在第一次演示中所做的。但是，要完成量子計算所需的一切，需要多達六個不同的彩色激光器：準備離子，冷卻離子，讀出它的能量狀態(tài)，并執(zhí)行量子門。利用這一最新芯片，研究小組將其原理證明擴展到了其他這些所需波長，從紫羅蘭到近紅外。

未來，該團隊將致力于建造離子阱陣列，如圖所示，以探索基于該技術(shù)的實用量子計算機的可行性。