中科大团队用光流推动离子实现高保真纠缠，量子计算简化关键技术

刚刚，一项由中国科学技术大学科研团队完成的研究，发表在了物理学顶级期刊《物理评论快报》上。

他们提出并验证了一种全新的、更为简洁的制造离子间量子纠缠的方法，在实验室里用两束高度聚焦的激光，像‘光流’一样轻轻推动被囚禁的离子，让它们之间建立起奇妙的量子关联。

这个新方案，把过去需要至少两束对射激光的复杂‘操作台’，简化到了只用一束紧聚焦的激光，不仅装置更简单，而且与未来构建大规模离子阱量子计算机的主流技术路径——‘光镊’阵列——完美兼容。这就像是为建造一座精密的量子大厦，找到了一种更顺手、更通用的‘量子黏合剂’。

离子阱量子计算，你可以把它想象成一场在微观世界进行的、极其精密的‘体操表演’。科学家们用电场和磁场，把一些带电的原子（也就是离子）‘囚禁’在半空中，让它们排成一串，像算盘珠子一样。

这些离子，就是我们的‘量子比特’，是存储和运算信息的基本单元。而要让这些‘算盘珠子’协同工作，完成计算，关键的一步就是让它们发生‘量子纠缠’。这是一种奇特的量子关联，好比把两个离子的命运紧紧捆绑在一起，无论它们相隔多远，测量其中一个的状态，会瞬间决定另一个的状态。实现纠缠的‘开关’，就叫‘量子纠缠门’。

过去，给离子‘开门’的主流方法，是靠两束相向而行的激光，精准地照射在离子链上，通过精密的调控，让离子的‘自旋’（你可以简单理解为离子的某种内在属性）和它们的集体振动（物理学家叫它‘声子’）发生相互作用，从而让离子们纠缠在一起。

这个方法很成熟，但有个麻烦：随着离子数量增多，要精准地控制多束激光互不干扰、精确对位，难度呈指数级上升，光路会变得极其复杂，就像在微观世界里布设一个令人眼花缭乱的激光迷宫。而且，未来想用‘光镊’（一种用高度聚焦的激光形成的光学陷阱，可以像镊子一样移动和操控单个离子）来排布和操控大规模离子阵列时，这套传统的对射激光系统很难与之集成。

中科大的团队这次想了个巧妙的办法，他们从经典物理学里的‘马格努斯效应’找到了灵感。如果你看过足球比赛里的‘香蕉球’就很好理解：旋转的球在空气中飞行时，会因为两侧气流速度不同，受到一个横向的力，从而划出弧线。这就是马格努斯效应。

团队设想：如果让一束高度聚焦的激光（形成光镊）照射在离子上，这束光本身有特定的偏振方向分布（也就是光波振动的方向在空间中有梯度变化），那么，处于不同自旋状态的离子，在这束‘光流’中，会不会也受到一个横向的、状态依赖的力呢？理论计算和实验都给出了肯定的答案。

图：光偏振梯度离子纠缠门示意图

他们用一束紧聚焦的、带有偏振梯度的激光，照射在囚禁于离子阱中的镱离子链上。这束光就像一股有‘方向感’的光流，对不同自旋状态的离子产生不同方向的微小推力。

通过精心设计激光的参数，他们让这个推力驱动离子做特定的微小运动，而这个运动又反过来影响离子的自旋状态。最终，在两个或多个离子之间，不需要通过复杂的声子模式间接耦合，而是直接通过这个光致推力协调下的运动，高效地建立起了量子纠缠。他们把这个新方案叫做‘光学马格努斯几何相位门’。

实验结果：在两个离子组成的链中，他们制备出的纠缠态（贝尔态）保真度达到了98.7%；在四个离子的链中，也超过了97.2%。这个保真度已经很高，意味着操作很精准。更关键的是，团队分析后认为，实验中影响保真度的主要是一些技术性误差（比如激光的波动、离子的加热等），理论上这个方法本身的极限保真度可以超过99.99%。通过改进实验条件，还有望把保真度再提升一个数量级。

这个突破在于，以前需要至少两束激光从两边对射，现在只需要一束从侧面聚焦照射，光路配置一下子简单多了，稳定性也更容易保证。更重要的是，这个‘门’的操作本身就是基于横向的光学力，这和‘光镊’移动、操控离子的原理同出一辙。

这意味着，未来在由成千上万个光镊排布的大规模离子阵列中，可以无缝集成这种纠缠门操作。我们不需要为了执行计算，再额外搭建一套复杂无比的对射激光系统；同一套光镊阵列，既能搬运、排列离子，也能直接让它们相互纠缠起来运算。这为建造真正实用化的大规模离子阱量子计算机，扫清了一个关键的技术集成障碍，提供了一条更简洁、更灵活的路径。

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