作者凯莉·福伊，麻省理工学院 光纤将激光直接耦合到离子阱芯片中
使用时，芯片在真空室中低温冷却，芯片上的波导将光传递给芯片表面上方捕获的离子，以执行量子计算
学分:麻省理工学院 走进科学家捕获离子的量子实验室，你会发现满是镜子和透镜的工作台，所有的激光器都聚焦在芯片上方“捕获”的离子上
通过使用激光来控制离子，科学家们已经学会了将离子作为量子比特或量子位来利用，量子比特是量子计算机中数据的基本单位
但是这种激光装置现在阻碍了研究——使得用几个以上的离子进行实验和将这些系统带出实验室用于实际应用变得困难
现在，林肯实验室的研究人员已经开发出一种紧凑的方法，将激光传递给被捕获的离子
在《自然》杂志发表的一篇论文中，研究人员描述了一种插入离子阱芯片的光纤块，将光耦合到芯片本身制造的光波导管上
通过这些波导，多种波长的光可以穿过芯片，并释放出来撞击其上的离子
该论文的作者、林肯实验室量子信息和集成纳米系统小组的高级职员杰里米·塞奇说:“对该领域的许多人来说，很明显，使用镜子和透镜等自由空间光学器件的传统方法只能走到这一步。”
“如果光被带到芯片上，它可以被引导到许多需要它的地方
多种波长的集成传输可以带来一个非常可扩展和便携的平台
我们第一次证明这是可以做到的
" 多种颜色 用捕获的离子进行计算需要独立地精确控制每个离子
当控制短一维链中的几个离子时，自由空间光学工作得很好
但是在一个更大的或二维的星团中撞击一个离子，而不撞击它的邻居，是极其困难的
当想象一台需要数千个离子的实用量子计算机时，这项激光控制任务似乎不切实际
这个迫在眉睫的问题让研究人员找到了另一种方法
2016年，林肯实验室和麻省理工学院的研究人员展示了一种内置光学器件的新芯片
他们将红色激光聚焦到芯片上，芯片上的波导将光导向光栅耦合器，这是一种隆隆声带，可以阻挡光并将其导向离子。
红光对于做一个叫做量子门的基本操作是至关重要的，这个团队在第一次演示中就完成了这个操作
但是需要多达六种不同颜色的激光来完成量子计算所需的一切:准备离子，冷却它，读出它的能量状态，以及执行量子门
有了这种最新的芯片，研究小组已经将他们的原理证明扩展到了其余所需的波长，从紫外到近红外
在未来，该团队将致力于构建离子阱阵列，如本图所示，以探索基于该技术的实用量子计算机的可行性
信用:切特·比尔斯 “有了这些波长，我们就能完成控制被俘获离子所需的基本操作，”约翰·基瓦里尼说，他也是这篇论文的作者
苏黎世联邦理工学院的一个团队使用类似于2016年的芯片演示了他们没有完成的一个操作，一个两个量子位的门，并在同一期《自然》杂志的一篇论文中进行了描述
“这项工作与我们的工作结合在一起，表明你已经具备了开始建造更大的俘获离子阵列所需的所有条件，”基瓦里尼补充道
光纤 为了实现从一种波长到多种波长的飞跃，该团队设计了一种将光纤块直接粘合到芯片侧面的方法
该模块由四根光纤组成，每根光纤都有特定的波长范围
这些光纤与直接在芯片上形成图案的相应波导对齐
“将光纤块阵列对准芯片上的波导，然后涂上环氧树脂，感觉就像在做手术一样
这是一个非常微妙的过程
我们有大约半微米的容忍度，它需要冷却到4开尔文，”罗伯特·尼费内格说，他领导了这个实验，也是这篇论文的第一作者
波导的顶部有一层玻璃
玻璃的顶部是金属电极，它产生电场，将离子固定在适当的位置；在光栅耦合器上方的金属上切出孔，在那里光被释放
整个装置是在林肯实验室的微电子实验室制造的
设计能够将光以低损耗传递给离子、避免吸收或散射的波导是一项挑战，因为损耗会随着波长变蓝而增加
“这是一个开发材料、制作波导图案、测试它们、测量性能并再次尝试的过程
塞奇说:“我们还必须确保波导管的材料不仅能在必要的光波长下工作，而且不会干扰捕获离子的金属电极。”
可扩展且便携 测量的激光束轮廓的动画显示了由离子阱芯片中的“光栅耦合器”发射的四种波长的激光
黄色的表面是芯片顶部的金属电极层，用于捕获上面的离子
学分:麻省理工学院 该团队现在期待着他们能用这种完全光集成的芯片做些什么
首先，“制造更多，”尼芬格说
“将这些芯片排列成一个阵列可以聚集更多的离子，每个离子都可以被精确控制，为更强大的量子计算机打开了大门
" 美国国家标准与技术研究所的物理学家丹尼尔·斯莱特(Daniel Slichter)没有参与这项研究，他说:“这项易于扩展的技术将使具有许多激光束的复杂系统能够进行并行操作，所有这些系统都自动对准，对振动和环境条件具有鲁棒性，在我看来，对于实现具有数千个量子位的囚禁离子量子处理器至关重要
" 这种激光集成芯片的一个优点是它固有的抗振动能力
对于外部激光器，激光器的任何振动都会导致它错过离子，芯片的任何振动也会导致它错过离子
现在激光束和芯片耦合在一起，振动的影响被有效地消除了
这种稳定性对于离子维持“相干性”很重要，或者作为量子位运行足够长的时间来计算它们
如果俘获离子传感器要变得便携，这也很重要
例如，基于俘获离子的原子钟可以比今天的标准更精确地记录时间，并可以用来提高全球定位系统的精度，全球定位系统依赖于卫星上原子钟的同步
塞奇说:“我们认为这项工作是科学和工程之间的桥梁，为学术界和工业界都带来了真正的优势。”
弥合这一差距是麻省理工学院量子工程中心的目标，塞奇是该中心的首席研究员
塞奇说:“我们需要强大的、可交付的、用户友好的量子技术，让不是量子物理学博士的人使用。”
同时，该团队希望这种设备能够帮助推动学术研究
“我们希望其他研究机构也能使用这个平台，这样他们就可以专注于其他挑战，比如用这个平台上捕获的离子编程和运行算法
“我们认为它打开了进一步探索量子物理的大门，”基瓦里尼说
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