如果走进一个捕获离子的量子实验室，会发现工作台上装满了镜子和透镜，所有激光聚焦都将离子“撞击”在芯片上的适当位置。通过使用激光控制离子，科学家们将离子作为量子位来利用，量子位是量子计算机中的基本单位。但是，这种激光装置现在阻碍了研究的开展，因为很难用多种离子进行实验，并且很难将这些系统带出实验室进行实际使用。
现在麻省理工学院的研究人员开发出一种紧凑的方式来将激光传递到离子阱上。在最近一期的《自然》杂志上发表的一篇重要研究论文中，研究人员描述了一个插入离子阱芯片的光纤模块，该模块将光耦合到芯片本身制造的光波导中。通过这些波导，可以将多种波长的光路由通过芯片并释放出来。
研究人员说，“对于该领域的许多人来说，很明显，使用反射镜和透镜等自由空间光学器件的传统方法只能走这么远了。” “如果将光线转移到芯片上，则可以将其定向到需要的许多位置。多种波长的集成传输可能会导致一个非常可扩展的便携式平台。我们首次表明可以做到的这点。”
如图所示光纤将激光直接耦合到离子阱芯片中。使用时，芯片在真空室中进行低温冷却，芯片上的波导将光传递到捕获在芯片表面上方的离子，从而执行量子计算。
多种颜色
使用离子阱进行计算需要独立地精确控制每个离子。当在短的一维链中控制几个离子时，自由空间光学系统已经很好地工作了。但是要击中较大或二维簇中的单个离子而不击中其相邻离子是极其困难的。当想象一个需要数千个离子的实用量子计算机时，激光控制的这项任务似乎是不切实际的。
这个迫在眉睫的问题导致研究人员找到了另一种方法。 2016年，研究人员展示了一种具有内置光学元件的新型芯片。他们将红色激光聚焦到芯片上，芯片上的波导将光引导到光栅耦合器，光栅耦合器是一种隆隆的条带，用于阻止光并将其引导至离子。
红光对于进行称为量子门的基本操作至关重要，该团队在首次演示中就进行了此操作。但是最多需要六个不同颜色的激光来完成量子计算所需的一切：制备离子、冷却离子、读出其能量状态以及执行量子门。利用最新的芯片，该团队将其原理证明扩展到了从紫罗兰色到近红外的其余所有所需波长。如图所示，该团队将致力于构建离子阱阵列，以探索基于该技术的实用量子计算机的可行性。
光纤
为了实现从一个波长到多个波长的跨越，研究人员设计了一种将光纤模块直接粘合到芯片侧面的方法。该模块由四根光纤组成，每根光纤特定于特定的波长范围。这些光纤与直接在芯片上构图的相应波导对齐。
研究人员表示：“使纤维块阵列对准芯片上的波导，然后像进行外科手术一样施加环氧树脂毡。这是一个非常微妙的过程。我们的公差约为半微米，需要冷却至4开尔文才能生存。”
在波导的顶部是一层玻璃，在玻璃的顶部是金属电极，它们产生的电场将离子固定在适当的位置。从光栅耦合器上方的金属上切出多个孔，然后释放光。
设计一种能够以低损耗将光传递给离子的波导，避免吸收或散射是一项挑战，因为损耗会随着波长越蓝而增加。 “这是开发材料、对波导进行构图、对其进行测试、测量性能然后再试的过程。我们还必须确保波导的材料不仅能够在必要的光波长下工作，而且还能够确保它们不起作用。不能干扰离子阱的金属电极。”
可扩展和便携式
团队现在期待着使用这种全光集成芯片可以做什么。其中之一是 “将这些芯片拼成一个阵列可以聚集更多的离子，每个离子都可以精确控制，为更强大的量子计算机打开了大门。”
这种激光集成芯片的一个优点是它固有地抗振动。使用外部激光器时，激光器的任何振动都会导致其错过离子，而芯片的任何振动也会使其丢失。现在，激光束和芯片已耦合在一起，振动的影响已有效消除。
这种稳定性对于维持离子的“相干性”或以足以与它们进行计算的量子位一样重要。离子阱传感器的便携性也很重要。例如，基于离子阱的原子钟可以比现在的标准更加精确地保存时间，并且可以用来提高GPS的精度，而GPS的准确性依赖于卫星上携带的原子钟的同步。
研究人员说：“我们将这项工作视为科学与工程学衔接的一个例子，为学术界和工业界带来了真正的优势。”“我们需要量子技术强大、可交付和用户友好、以供非量子物理学的人们使用。”
参考：Integrated multi-wavelength control of an ion qubit,Nature.DOI: 10.1038/s41586-020-2811-x
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