芯片化激光冷却，量子离子冷却提速超3倍

康奈尔大学的研究人员研发出一种激光冷却技术，有望消除阻碍更大规模、更高性能量子计算机发展的一大瓶颈。这项研究成果发表在《PRX Quantum》期刊上，证明通过微加工芯片传输特殊设计的激光束，可以同时冷却原子的多种运动模式。该研究由康奈尔大学达菲尔德工程学院电子与计算机工程助理教授Karan Mehta主导。

冷却占用大量计算时间

离子阱量子计算机把带电原子悬浮在电磁场中，以此处理信息，计算方式和传统计算机比特完全不同。这类离子可以实现精度极高的量子操控，但哪怕是极其微小的非预期运动，都会干扰计算过程。研究人员必须反复用激光把离子冷却到接近最低能量态。

冷却过程会占用量子计算机相当多的运行时间。“你可能会觉得，计算机的逻辑运算才是最耗时的环节，”Mehta说，“但冷却操作，尤其是冷却到接近量子基态，已经成为主流系统里的一大瓶颈。”

实验平台与离子阱器件，可输出所需波长。

驻波抑制额外加热

Mehta团队正在研究面向原子操控的集成光子方案，在承载原子的同一块芯片上，用微光路传输光束。这套方案依托这类光学结构的稳定性，向囚禁离子输送经过精准调控的激光图案，也就是驻波。

研究人员使用两束相向传播的激光，形成光强交替变化的区域。他们把囚禁的钙离子放在光强最低的位置，既能带走离子运动的能量，又能抑制容易造成升温的有害相互作用。

该技术建立在博士生Zhenzhong Xing的理论预测之上。共同一作Zhenzhong Xing与Hamim Mahmud Rivy完成实验方案搭建与测试，把前期的理论模型转化为实验验证。其中包含配套封装方案，让芯片在低温环境下，能够处理从紫外到近红外波段的光线。

三种运动模式，冷却速度更快

研究人员采用电磁诱导透明冷却（EIT冷却）方案，仅用约150微秒，就把离子目标运动模式冷却至接近量子基态；而传统激光方案大约需要500微秒。

除此之外，这项技术可以同时冷却离子全部三种被测运动模式，覆盖约5兆赫兹的频率范围。这点十分关键，因为离子可以在三维方向上振动，每个方向的振动频率都不一样。传统冷却方式往往需要分开执行多轮冷却操作，分别处理不同运动。

“通常很难只用一套冷却机制同时冷却全部运动模式，”Zhenzhong Xing说，“但我们的实验证明，只要这些运动频率差距不大，就可以把它们有效冷却到基态。”

研究团队还实现了低于传统多普勒极限的冷却效果，用实验证实了一项存在已久的理论猜想。

芯片集成，助力更大规模量子计算机

这项工作的一大亮点是光学器件集成在芯片内部，而不是完全依赖复杂的外部激光光路。芯片可以输出操控离子所需的多种波长光束，业内多个研究团队都在探索这条路线，以此拓展系统，支持更多量子比特。芯片由荷兰厂商代工制造，项目和苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）合作；器件封装与实验准备工作，使用了康奈尔校内平台，包括康奈尔纳米科学与技术设施。

虽然本次实验只用到单个离子，但这套方案可以拓展到更大规模的离子阱量子计算机。Mehta表示，这项研究更大的价值在于，它给出了一条思路：在用来扩大量子计算机规模的技术路线里，同时优化量子计算机赖以运行的基础操作。