3D离子磁体为量子信息处理提供了新的实验前沿

从量子传感器到量子计算机等许多量子设备都利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，目前的离子阱系统面临着重大挑战。大多数实验仅限于一维链或二维离子平面，这限制了量子设备的可扩展性和功能性。科学家们一直梦想着将这些离子堆叠成三维结构，但这非常困难，因为当以更复杂的方式排列时，很难保持离子的稳定和良好的控制。

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)进行了一项国际合作，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《物理评论 X》上发表了他们的研究成果。

雷伊说：“在完全可控的条件下，在两个或多个空间分离的层中捕获大量离子的能力，为探索纯二维晶体中不易获得的新状态和现象提供了激动人心的机会，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有关。”

使用彭宁陷阱

在为量子计算而探索的各种平台中，捕获离子因其高度可控性和执行精确量子操作的能力而成为主要候选者。这些离子可以用激光或微波脉冲进行操纵，从而改变其量子态，使其能够被“编码”成特定信息。这些编码离子通常被称为量子比特或“量子位”。

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或相互作用来使它们纠缠在一起，从而降低系统的整体噪声并增强其测量效果。

“之前的研究表明离子晶体可以形成三维球形结构，但我们正在寻找一种实现二维层堆叠阵列的方法，”该论文的第一作者、印度科学研究所研究员 Samarth Hawaldar 在最近关于该论文的文章中解释道。

“我们开始探索在一种名为彭宁离子阱的特定类型的离子阱中实现这种结构的方法，因为这些离子阱擅长存储大量离子，通常为数百到数千个。”

在彭宁阱中，离子可以被迫自聚集成晶体结构，这种结构是由排斥的库仑相互作用和限制势(将离子安全地困在特定空间区域的电力和磁力的组合)之间的竞争产生的。

卡特解释说：“约束是通过电极堆栈产生的电磁力以及使离子在强磁场中旋转实现的。”

对于物理学家来说，潘宁阱特别有用，因为它们可以存储大量离子，使其成为实验更复杂的三维结构的好选择。潘宁阱已用于将离子排列成单一的二维层或更圆的三维形状。

用于量子信息处理的双层离子捕获晶体。我们展示了彭宁阱中双层晶体中

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