原文已发表在CPL Express Letters栏目

Received 2 June 2020; 

online 14 June 2020

提出一种新型的具有可扩展性的离子型量子计算机实现方案，采用符合现有实验技术的大间距二维离子阵列和周期性激光脉冲，具有量子逻辑门速度快、设计简单、可并行、抗热噪声的优势。

囚禁离子具有调控与测量方便、相干时间长等优势，是极具潜力的实现量子计算的研究平台之一。要解决实用的问题，量子计算机需要具有可扩展性，能在数以百万计的物理量子比特间实现高保真度的量子逻辑门。此前的基于囚禁离子的量子计算研究主要集中于一维的离子构型，所能容纳的量子比特数限于几十到上百个。如果能将离子的构型扩展为二维，将能够显著增加量子比特数。但是受限于现有的芯片电极加工技术，二维阵列中离子的间距很大，导致其相互作用减弱，实现两个离子间量子逻辑门的时间将大大延长；此前也有基于脉冲激光实现大离子间距下的高速量子逻辑门的方案，但往往需要很强的激光功率和极短时间内的多个激光脉冲，在目前的实验条件下难以实现。因此，离子型量子计算的二维架构在过去并未受到广泛重视。

最近，清华大学的段路明教授研究组提出了一种利用现有的电极微加工技术和周期性激光脉冲技术实现大规模二维离子阵列上高速量子计算的方案。该工作表明，利用周期性的脉冲激光产生的依赖量子比特状态的动量反冲（spin-dependent momentum kicks），可以在几十到几百微米的离子间距、几十兆赫兹的脉冲重复频率下，实现几微秒的高速双量子比特量子逻辑门。这些参数范围在现有的镱离子实验中已经可以实现。此外，该量子逻辑门的实现方案还具有很强的可扩展性。由于离子间距大、逻辑门时间短，在二维阵列上局域的扰动将不会传播到远处的离子，因此量子逻辑门的设计复杂度不会随着离子数的增加而上涨，而且相距较远的多个量子逻辑门可以并行执行，而不会引起显著的串扰误差（crosstalk error）。

总之，该二维离子型量子计算机构架的提出，为实现大规模量子计算提供了一种可行的新思路。

左上：在二维离子阵列上使用反向传播的脉冲激光实现近邻离子间双量子比特逻辑门的示意图；右上：一种基于芯片微加工技术实现二维离子阵列的示意图，离子在dc和rf电场中排列成一维链，多个一维链进而组成二维阵列；左下：以镱-171离子为例，所需的简谐约束势大小（蓝色实线）和双量子比特逻辑门时间（红色虚线）随离子间距d的变化；右下：并行执行多个逻辑门的串扰误差随逻辑门之间的距离n的变化。

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