捕获离子的双层晶体可以在称为 Penning 陷阱的装置中实现，激光（以红色和蓝色显示）可用于操纵离子并设计它们之间的相互作用。这种晶体可能为量子技术应用开辟新的途径。图片来源：Steven Burrows/JILA

从量子传感器到量子计算机，许多量子设备都使用被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，当前的囚禁离子系统面临着重大挑战。大多数实验仅限于离子的一维链或二维平面，这限制了量子设备的可扩展性和功能。科学家们长期以来一直梦想着将这些离子堆叠成三维结构，但这一直非常困难，因为当以更复杂的方式排列时，很难保持离子稳定和良好控制。

为了应对这些挑战，来自印度、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）的国际合作提出，调整捕获离子的电场可以创建稳定的多层结构，为未来的量子技术开辟令人兴奋的新可能性。研究人员在 Physical Review X 上发表了他们的发现。

Rey 说：“在完全可控的条件下，将大型离子系群捕获在两个或多个空间分离的层中的能力为探索纯二维晶体中不容易获得的新机制和现象提供了令人兴奋的机会，例如拓扑手性模式、隐形传态和空间变化场的精确测量，所有这些都与量子信息科学相关。

在正在探索的量子计算各种平台中，囚禁离子因其高度可控性和执行精确量子运算的能力而成为主要候选者。这些离子可以通过激光或微波脉冲进行操纵，从而改变它们的量子态，从而允许它们被“编码”为特定信息。这些编码离子通常称为量子比特或“量子比特”。

在此过程中，离子还会受到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来缠结它们，从而降低系统的整体噪声并增强其测量效果。

“以前的工作表明离子晶体可以形成 3D 球状结构，但我们正在寻找的是一种实现 2D 层堆叠阵列的方法，”该论文的第一作者、印度科学研究所研究员 Samarth Hawaldar 在最近一篇关于该论文的文章中解释说。

“我们开始探索在一种称为 Penning 离子阱的特定类型的离子阱中实现此类结构的方法，因为这些离子阱擅长储存大量离子，通常为数百到数千个离子。”

在 Penning 陷阱中，离子可能被迫自集成晶体结构，这是由排斥库仑相互作用和约束势之间的竞争产生的，约束势是将离子安全地捕获在空间的特定区域的电和磁相结合的力。

“约束是通过电极堆栈产生的电磁力和使离子在强大的磁场中旋转来实现的，”Carter 解释说。

对于物理学家来说，潘宁陷阱特别有用，因为它们可以存储大量离子，使其成为试验更复杂的三维结构的不错选择。笔式离子阱用于将离子排列成单个二维层或多个圆形三维形状。

用于量子信息处理的双层囚禁离子晶体。我们展示了 Penning 陷阱中 N=200 个捕获离子的双层晶体的数值平衡构型的 3D 视图。根据离子 z 坐标进行颜色编码的标记表示离子位置。陷印中心 （未显示） 被视为原点。在实验室框架中，晶体以可控的旋转频率绕垂直于各层的中心轴旋转，即沿 z 方向旋转。晶体配置显示在旋转框架中。学分：物理评论 X （2024）。DOI： 10.1103/PhysRevX.14.031030

圆形的三维形状之所以出现，是因为这些陷阱中的限制电场通常随着与陷阱中心的距离而线性增加，就像理想的弹簧一样，自然地将离子引导到这些更简单的圆形结构中。

然而，研究人员试图将陷阱的电场修改得更细致，并取决于与陷阱中心的距离。这种微妙的变化使他们能够诱使离子形成一种新的结构——双层晶体，其中两层扁平离子一个叠在另一个上面。

该团队进行了广泛的数值模拟以验证他们的新方法，表明这种双层构型在某些条件下可以稳定，甚至表明有可能扩展该方法以创建具有两层以上晶体。

“我们很高兴能在实验室中尝试使用我们目前的 Penning 陷阱装置形成双层晶体，”实验物理学家、该出版物的合著者 John Bollinger 说。“从长远来看，我认为这个想法将促使我们重新设计疏水阀的详细电极结构。”

离子捕获从 2D 转移到 3D 对传感器或量子计算机等量子设备的未来具有重大影响。

“双层晶体为量子信息处理开辟了几种新功能，而这些能力对于一维链或二维平面来说并不简单，”印度科学研究所（Indian Institute of Science）的博士后研究员阿特雷亚·香卡（Athreya Shankar）博士在最近一份关于这项研究的声明中说。

“例如，在相隔一定距离的大型子系统（例如该系统中的两层）之间产生量子纠缠，是所有量子硬件中广受欢迎的功能。

该团队渴望在他们的 Penning 陷阱中实验测试这些发现。如果成功，这可能会导致新的量子硬件架构，更有效地利用 3D 空间，从而提高量子技术的可扩展性和稳健性。

除了硬件机会外，双层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，有利于时钟而不是逆时针循环，反之亦然，”Rey 解释道。“这可以用来模拟电子在强磁场中但在完全可控的设置下所经历的丰富行为。

“此外，拥有更多的离子可以增强测量中的信噪比，从而能够更精确地估计时间、电场或加速度等量，这对于发现新物理学非常重要。”

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。像这样的创新对于实现量子计算、传感等的全部潜力至关重要。

更多信息：Samarth Hawaldar 等人，用于量子信息处理的囚禁离子双层晶体，物理评论 X （2024）。DOI： 10.1103/PhysRevX.14.031030

期刊信息： Physical Review X