囚禁離子具有調控與測量方便、相干時間長等優勢，是極具潛力的實現量子計算的研究平臺之一。要解決實用的問題，量子計算機需要具有可擴展性，能在數以百萬計的物理量子比特間實現高保真度的量子邏輯門。此前的基于囚禁離子的量子計算研究主要集中于一維的離子構型，所能容納的量子比特數限于幾十到上百個。如果能將離子的構型擴展為二維，將能夠顯著增加量子比特數。但是受限于現有的芯片電極加工技術，二維陣列中離子的間距很大，導致其相互作用減弱，實現兩個離子間量子邏輯門的時間將大大延長；此前也有基于脈沖激光實現大離子間距下的高速量子邏輯門的方案，但往往需要很強的激光功率和極短時間內的多個激光脈沖，在目前的實驗條件下難以實現。因此，離子型量子計算的二維架構在過去并未受到廣泛重視。
最近，清華大學的段路明教授研究組提出了一種利用現有的電極微加工技術和周期性激光脈沖技術實現大規模二維離子陣列上高速量子計算的方案。該工作表明，利用周期性的脈沖激光產生的依賴量子比特狀態的動量反沖（spin-dependent momentum kicks），可以在幾十到幾百微米的離子間距、幾十兆赫茲的脈沖重復頻率下，實現幾微秒的高速雙量子比特量子邏輯門。這些參數范圍在現有的鐿離子實驗中已經可以實現。此外，該量子邏輯門的實現方案還具有很強的可擴展性。由于離子間距大、邏輯門時間短，在二維陣列上局域的擾動將不會傳播到遠處的離子，因此量子邏輯門的設計復雜度不會隨著離子數的增加而上漲，而且相距較遠的多個量子邏輯門可以并行執行，而不會引起顯著的串擾誤差（crosstalk error）。
總之，該二維離子型量子計算機構架的提出，為實現大規模量子計算提供了一種可行的新思路。
左上：在二維離子陣列上使用反向傳播的脈沖激光實現近鄰離子間雙量子比特邏輯門的示意圖；右上：一種基于芯片微加工技術實現二維離子陣列的示意圖，離子在dc和rf電場中排列成一維鏈，多個一維鏈進而組成二維陣列；左下：以鐿-171離子為例，所需的簡諧約束勢大小（藍色實線）和雙量子比特邏輯門時間（紅色虛線）隨離子間距d的變化；右下：并行執行多個邏輯門的串擾誤差隨邏輯門之間的距離n的變化。
相關論文信息：DOI:10.1088/0256-307X/37/7/070302
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