蘇黎世聯邦理工學院 (ETH Zurich) 的研究人員開發了一種技術，利用單一被捕獲的離子來創建芯片表面上電磁場的高解析度三維地圖，為未來的量子計算機和量子傳感器改進硬件提供了一種新方法。這種方法使科學家能夠檢測微弱的電場和磁場，這些場可能會干擾脆弱的量子狀態。這些測量有助於工程師在下一代量子設備廣泛使用之前，識別出更清潔的材料和製造技術。
追蹤芯片幹擾是被捕獲離子量子計算機面臨的最大挑戰之一，因為芯片本身產生的電噪聲甚至微小的電磁擾動都可能破壞用於計算的量子狀態，從而降低系統的準確性和可靠性。ETH Zurich 的研究人員認為，他們現在擁有更好的方法來尋找這些隱藏的幹擾源。
ETH Zurich 的新技術為量子計算機提供更清晰的電磁場圖像
團隊基於一種基於芯片的 Penning 陷阱，能夠三維自由移動單個鋇離子。與依賴於振盪射頻場的傳統離子陷阱不同，Penning 陷阱使用靜電和磁場。這種設計使研究人員能夠更靈活地定位離子，並使檢測微弱的振盪場變得更容易。博士研究員 Tobias Sägesser 表示，該團隊之前已經開發出這種陷阱，以便在三維空間中自由移動離子。此次最新研究利用該能力掃描芯片上方的空間，並建立詳細的電磁圖。
測量微弱信號的過程始於使用激光冷卻單個鋇離子，直到其達到最低的量子運動狀態。然後，研究人員通過調整陷阱電極上的電壓將離子移動到芯片上方的不同位置。該設置可以掃描面積為 200 微米乘以 200 微米的區域，並在距離表面 50 至 450 微米的高度進行測量。一旦離子到達測量點，芯片所產生的微弱電場逐漸增強其在陷阱內的運動。額外的激光脈衝能顯示離子的量子狀態變化程度，從而使研究人員能夠計算周圍電場的強度。
Sägesser 表示，該團隊在芯片陷阱內實現了對振盪電場的最靈敏測量，系統在一秒內檢測到的信號僅為 10 奈伏每米。相比之下，手機的電磁場即使在幾公里外仍然強約 10,000 倍。研究人員還通過觀察雜散電場如何使離子偏離其靜止位置來測量靜態電場，並通過跟蹤離子能量水平的變化來確定磁場。
教授 Jonathan Home 表示，科學家們花了超過 30 年的時間試圖確定量子芯片附近電場噪聲的來源。這種新方法提供精確的三維測量，使研究人員能夠與理論模型進行直接比較，從而更容易識別特定的幹擾源。Penning 陷阱還具有另一個優勢，研究人員可以暫時將其與外部電壓源斷開，減少先前使實驗複雜的外部影響。Home 預計這一技術將成為測試量子芯片所用材料的一個寶貴工具，工程師可以比較不同的表面塗層和製造方法，以識別產生最少電噪聲的選擇，幫助提升未來量子計算機和量子傳感技術的性能。