康奈爾大學研究團隊開發新型鐳射冷卻技術 提升量子計算效率

康奈爾大學的研究人員開發了一種基於晶片的鐳射冷卻技術，能在僅 150 微秒內將被捕獲的離子接近其量子基態，這可能減少量子計算中的一個主要時間瓶頸。該方法的速度約為傳統鐳射配置的三倍，後者約需 500 微秒。此外，該技術能同時冷卻離子的三種運動模式，而無需為每種模式進行單獨的冷卻操作。這項研究顯示了集成光子學如何改善被捕獲離子的控制，幫助研究人員建造更大型的量子電腦。

該研究由康奈爾大學達菲爾德工程學院的電機與計算機工程助理教授卡蘭·梅赫塔（Karan Mehta）主導。

冷卻技術的挑戰與解決方案

冷卻減慢量子操作被捕獲的離子量子電腦使用受電場影響的帶電原子來存儲和處理量子資訊。這些量子電腦的精度使其成為量子計算的有希望候選者，但不必要的原子運動可能會干擾運算。研究人員必須重複使用鐳射來消除這些運動，並將離子冷卻到其可能的最低能量狀態。這些冷卻過程可能佔據量子電腦操作時間的相當一部分。梅赫塔表示，冷卻，特別是冷卻至量子基態，已成為主導被捕獲離子系統的主要瓶頸。

為瞭解決這一問題，康奈爾團隊開發了一種方法，通過集成光學元件向微製造的離子捕獲晶片精確控制鐳射光束。

新方法的實驗與應用

研究人員將兩束鐳射以相反方向發射，形成一個駐波，即高低強度區域交替的模式。他們將一個被捕獲的鈣離子置於低強度點或節點，以抑制不必要的光相互作用，從而在冷卻其運動的同時防止離子加熱。這種駐波的組合加速了冷卻過程。團隊將這一光學配置與一種稱為電磁誘導透明度（EIT）冷卻的技術結合起來，將目標運動在約 150 微秒內接近量子基態，而使用傳統運行波鐳射設置則約需 500 微秒。

實驗還展示了三種測量運動模式的同時冷卻，涵蓋約 5 兆赫。目標模式的平均聲子佔用約為 0.05，而研究人員則將測量模式接近其基態。結果還顯示冷卻低於傳統多普勒極限，實驗驗證了一項長期存在的理論預測。

該方法的一個重要部分是其集成光學傳遞系統。晶片能路由多種波長，從紫外線到近紅外光，這些都是控制離子所需的。團隊還開發了一種包裝，使設備能在低溫下運行。這些晶片在荷蘭商業製造，並與蘇黎世聯邦理工學院（ETH Zurich）合作，而康奈爾的設施則幫助準備實驗所用的設備。

擴展被捕獲離子電腦此演示涉及單個鈣離子，而非多離子量子處理器。然而，研究人員表示，該方法可以應用於更大型的被捕獲離子系統。將光學元件集成到離子捕獲設備中，可能減少量子處理器擴展到更多量子位所需的複雜外部鐳射配置。跨多個運動模式的更快冷卻也可減少為量子操作準備離子所花的時間。研究人員表示，該項工作顯示了為擴展量子電腦而開發的技術，如何改善這些系統所依賴的基本操作。

該研究發表於 PRX Quantum。

新型冷卻技術對量子計算的影響

量子計算的發展受到冷卻技術的限制，尤其是在處理被捕獲離子時。康奈爾大學的研究團隊通過集成光子學技術，成功縮短了冷卻時間，這對於提升量子計算的效率至關重要。新技術不僅加快了冷卻過程，還能同時處理多種運動模式，顯示出其在量子電腦擴展中的潛力。這項研究的成果不僅為量子計算提供了新的解決方案，還可能推動未來更大型量子處理器的實現。