离子阱原理

上一篇 / 下一篇  2010-10-15 20:43:03

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离子阱(Ion trap)是目前少数几个有希望可以做为实现量子计算的系统之一。在文章的前半段,我们介绍离子阱的基本工作原理以及在陷获离子(Trapped ion)构成的量子位中,数据的写入与读出(亦即量子态的备制及测量)。利用线性阱将离子排列成一维的量子位串行就形成所谓的离子阱量子计算机。而在文章 的后半段中,我们介绍在离子阱量子计算机中如何进行数据的储存于与不同量子位间信息的交换与传递。文章的最后,我们讨论离子阱量子计算机的优缺点,以及它 在现行的技术上所必须面临的挑战。

  一、前言

  量子信息(quantum information) [1,2]是物理学界最近相当热门的一个领域。在这个融合了信息科学与量子物理的新兴领域中,尤其以量子计算 (quantum computation) 更是吸引了众多的物理学家全力投入研究行列的一个课题。

  量子计算的概念最早由IBM的科学家R. Landauer及C. Bennett于70年代提出。他们主要探讨的是计算过程中诸如自由能(free energy)、信息(informations)与可逆性(reversibility)之间的关系。80年代初期,阿岗国家实验室的P. Benioff首先提出二能阶的量子系统可以用来仿真数字计算;稍后费因曼也对这个问题产生兴趣而着手研究,并在1981年于麻省理工学院举行的 First Conference on Physics of Computation中给了一场演讲,勾勒出以量子现象实现计算的愿景。1985年,牛津大学的D. Deutsch提出量子图林机(quantum Turing machine)的概念,量子计算才开始具备了数学的基本型式。然而上述的量子计算研究多半局限于探讨计算的物理本质,还停留在相当抽象的层次,尚未进一 步跨入发展算法的阶段。

  1994年,贝尔实验室的应用数学家P. Shor指出 [3],相对于传统电子计算器,利用量子计算可以在更短的时间内将一个很大的整数分解成质因子的乘积。这个结论开启量子计算的一个新阶段:有别于传统计算 法则的量子算法(quantum algorithm)确实有其实用性,绝非科学家口袋中的戏法。自此之后,新的量子算法陆续的被提出来,而物理学家接下来所面临的重要的课题之一,就是如 何去建造一部真正的量子计算器,来执行这些量子算法。许多量子系统都曾被点名做为量子计算器的基础架构,例如光子的偏振(photon polarization)、空腔量子电动力学(cavity quantum electrodynamics, CQED)、离子阱(ion trap)以及核磁共振(nuclear magnetic resonance, NMR)等等。以目前的技术来看,这其中以离子阱与核磁共振最具可行性。事实上,核磁共振已经在这场竞赛中先驰得点:以I. Chuang为首的IBM研究团队在2002年的春天,成功地在一个人工合成的分子中(内含7个量子位)利用NMR完成N =15的因子分解(factorization) [4],而离子阱看来还身陷苦战之中。不过这场比赛才刚开始,谁输谁赢还是未定之数,因为真正的挑战在于能否有效率地分解远大于15的整数,物理学家还有 很长一段路要走.

  离子阱虽然屈居下风,不过它却是一个非常有趣而值得认识的物理系统,在这里面牵涉到许多量子光学的应用。在这篇文章 中,我们将介绍离子阱的基本原理、量子态的备制及测量,以及如何利用陷获离子(trapped ion)来从事量子计算。有兴趣的读者可从文后的参考文献得到更详尽的数据。

  二、离子阱(Ion Trap)

  离子阱并不是一个很新颖的装置,早在50年代末它就被应用于改进光谱测量的精确度。设法提高光谱精确度是每个从事原子 光谱研究的科学家所追求的「圣杯」,有人曾这么比喻:如果哪一天上帝允诺帮每个人实现一个愿望,十个原子光谱学家中,大概有九个都会希望上帝做同一件事 ──以祂伟大的神力把一个原子或分子一动也不动地固定在空间中某一点,好让这些科学家把光谱线量到无比精确。这当然只是一个梦想,一个在真实世界中永远无 法实现的愿望。由于测不准原理的作祟,DE不可能无限小,所以谱线不可能量到无限准。但是如果我们能使Dt够大,DE还是可以很小,换言之,想要量到更精 准的谱线,测量时间必须拉长,因此必须设法局限住待测物体。于是离子阱因应而生,它的原理十分简单:利用电荷与电磁场间的交互作用力来牵制带电粒子的运 动,以达到将其局限在某个小范围内的目的。典型的离子阱构造如图一,主要可分为三部份:上下两片圆盖状电极,以及中间具双曲面外型的环状电极 [5]。



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xiaoshm 引用 删除 xiaoshm   /   2010-11-15 16:09:16
离子阱中的0与1
xiaoshm 引用 删除 xiaoshm   /   2010-11-15 16:09:14
3
hongjingzi 引用 删除 hongjingzi   /   2010-10-18 15:50:29
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