假設你有一個小球，和一塊馬鞍面，你能采用什么方法把小球穩定放置在馬鞍面上呢？是費勁心思凹角度，還是直接哥倫布立雞蛋？不妨換個思路，讓馬鞍面旋轉起來，神奇的事情便發生了！

▲ 旋轉馬鞍面中“懸浮”在空中的小球

小球成功“懸浮”了起來，看起來好像被馬鞍面這個陷阱“囚禁”了。

1953年，一位德國物理學家沃爾夫岡·保羅 （Wolfgang Paul） 利用了旋轉的馬鞍面可以囚禁圓球的想法，發明了離子囚禁技術，利用旋轉的電場囚禁帶電粒子。這就是保羅阱 （Paul Trap） 。他也因發展了離子阱技術獲得了1989諾貝爾物理學獎。

▲ 沃爾夫岡·保羅（Wolfgang Paul，1913-1993），德國物理學家

什么是離子阱？離子阱是一種利用電場或磁場將離子（即帶電原子或分子）俘獲和囚禁在一定范圍內的裝置。理論上來說，帶電粒子被離子阱約束，其行為就能夠得到控制。然而，這一簡單理論想要通過實驗實現卻并不容易。

▲Penning離子阱和Paul離子阱

美國物理學家大衛·維因蘭德（David Wineland）從上個世紀七八十年代開始嘗試操控單個電子，后來他能操控單個離子、做激光制冷，此外他還做了很多先驅性的研究工作。大衛·維因蘭德也因研究能夠量度和操控個體量子系統的突破性實驗方法，獲得了2012年諾貝爾物理學獎。

▲大衛·維因蘭德（David Wineland，1944-），美國物理學家

為什么離子阱能用于量子計算？首先，原子本身就是很好的量子比特。例如，我們現在使用銫原子的超精細結構能級，憑借其本身非常精確的躍遷，可以制造原子鐘。接下來，我們使用電場、電磁場、射頻微波，甚至是激光去操控原子躍遷，從而更加精密地定義時間以及頻率標準。

為了實現計算，我們需要讓不同的量子比特產生各種相互作用。通過激光的橋梁，把離子的內態信息與其運動態信息耦合起來。而不同離子之間的運動態又可以通過庫倫相互作用相互耦合，從而將信息傳給其他離子。

▲ 在這個豪華場地里，離子可以與外界環境隔離，所以它們的量子疊加態可以保持很久 。

包括離子阱在內的量子計算平臺目前面臨的挑戰在于，科學家們需要在高保真度的情況下操控更多的量子比特。但當我們操控量子比特的時候，環境里的噪聲對量子操作的影響不可忽略不計。而我們不僅要能精確地控制一兩個甚至幾十個量子比特，還要把精確控制擴展到成千上萬個量子比特。離子阱的挑戰性就在于，除此之外，這個系統還要集成光和電，因此需要同時應對來自光學和電子學系統中的噪聲，技術方面難度比較大。

即使如此，中外科學家們在離子阱量子計算領域也仍在不斷探索。2024年5月，中國科學家首次實現512個離子的穩定“囚禁”和冷卻，以及對300離子量子比特的量子模擬計算，相關研究結果發表于Nature上 [1] 。同年5月，Quantinuum公司宣布推出業界首臺具 56量子位離子阱量子計算機，計算精度極高 [2] 。

參考文獻

[1]Guo, SA., Wu, YK., Ye, J. et al. A site-resolved two-dimensional quantum simulator with hundreds of trapped ions. Nature (2024).