冷却新技术有望推动芯片级捕获离子量子计算机实现

    2026年1月21日——为使量子计算机达到足够的规模与稳定性，兑现其技术潜力，研究人员正致力于开发基于超紧凑光子芯片的捕获离子量子计算机。这类设备虽比依赖庞大光学部件的现有系统更易扩展，但冷却难题始终是阻碍其发展的重大瓶颈。
    为破解这一难题，麻省理工学院（MIT）与麻省理工学院林肯实验室的研究团队，研发出一种基于光子芯片的捕获离子冷却方法，冷却效果达到标准激光冷却理论下限的1/10左右。该技术的核心是一款集成了精密设计天线的光子芯片，这些天线可对聚焦光束进行操控，形成相交光场。
    研究人员表示，这一初步成果为可扩展芯片架构奠定了关键基础，未来有望据此研发出效率更高、稳定性更强的量子计算系统。

    “我们设计出偏振多样化集成光子学器件，借助这类器件开发出多种新型集成光子系统，并成功利用这些系统实现了高效离子冷却。”MIT电气工程与计算机科学系（EECS）助理教授、罗伯特·J·希尔曼职业发展副教授、电子研究实验室成员、该研究论文的资深作者杰莱娜·诺塔罗斯（JelenaNotaros）指出。
    研究团队开发的光子芯片，通过集成精密设计的天线操控聚焦相交光束，可快速为量子计算系统降温，进而提升未来量子计算机的效率与稳定性。（图片来源：麻省理工学院/迈克尔·赫里尔、桑普森·威尔考克斯）
    不过，这仅仅是研究的起点。通过在集成光子捕获离子系统中引入偏振多样性，不仅实现了高效冷却，更开启了捕获离子高级操控的新可能——这类操控在以往技术中难以实现。
    在捕获离子量子计算领域，离子由原子剥离一个电子形成，是一种带电粒子。研究人员通过射频信号捕获离子，再利用光信号对其进行操控，具体而言是借助激光改变离子状态，从而在离子中编码信息，使离子成为可用的量子比特。
    为避免离子与空气分子碰撞，离子需置于真空环境中，这类环境通常由低温恒温器构建。传统方案中，体积庞大的激光器被置于恒温器外部，通过设备窗口向芯片发射多束光束。这类系统往往需要一整间屋子的光学组件才能操控几十个离子，难以扩展到高级量子计算所需的海量离子规模；同时，恒温器受到的微小外界振动也可能干扰光束，降低量子计算的精度。

    而基于集成光子学的捕获离子系统，光信号与捕获离子的芯片融为一体，无需外部光学部件，大幅提升了系统的可扩展性。
    “如今，我们可在单块芯片上集成数千个操控位点，所有位点均能对接并处理多个离子，以可扩展的方式协同工作。”MIT物理系研究生菲利克斯·克诺尔曼（FelixKnollmann）表示。
    但此前，基于集成光子学的相关演示，冷却效率一直较为有限。
    要实现快速、精准的量子操作，需通过光场降低捕获离子的动能，将其冷却至接近绝对零度的极低温度，这一温度甚至低于低温设备本身能达到的极限。
    传统冷却方法效率较低，导致冷却完成后离子仍残留大量振动能量，难以用于高质量量子计算。为此，MIT研究团队采用了一种更复杂的技术——偏振梯度冷却，该方法需两束光进行精密相互作用。
    两束光具有不同偏振态，意味着光场振动方向各异（如上下、左右等）。当它们相交时，会形成旋转光涡旋，能更高效地抑制离子振动。
    这种冷却方法此前已通过宏观光学系统实现，但尚未在集成光子学平台上成功演示。

    为实现这一复杂光场相互作用，研究团队设计了一款集成两个纳米天线的芯片，通过天线发射光束操控离子。
    这些天线由波导连接，波导负责将光线传导至天线，其结构经过特殊设计以稳定光路，从而提升光束形成的涡旋图案稳定性。
    “通过集成天线发射光线，效果与传统光学元件截然不同：光束及形成的光图案稳定性极高。这种稳定特性让我们能以更高精度调控并探索离子的行为。”现任职于MIT林肯实验室的科学家伊桑·克莱门茨（EthanClements）表示。
    研究团队还对天线进行了优化设计，以最大化到达离子的光量。每个天线上都设有微小弯曲缺口，可将光向上散射，通过精准排布引导光线聚焦于离子。
    “依托林肯实验室多年积累的技术，我们设计的光栅能够发射多种偏振光。”论文第一作者塞布丽娜·科尔塞蒂（SabrinaCorsetti）介绍道。
    研究过程中，团队测试了多种不同架构，并对每种架构进行了特性分析，以深入理解其发光机制。
    最终设计方案完成后，实验显示离子冷却效果接近标准激光冷却多普勒极限的1/10，且芯片仅需约100微秒即可达到这一冷却水平，速度较其他技术快数倍。

    “在离子阱芯片中集成光学系统并实现性能提升，这一成果为后续进一步集成奠定了基础，有望催生新型量子态操控方法，改善实用化量子信息处理的发展前景。”MIT林肯实验室高级技术人员、MIT量子工程中心首席研究员约翰·奇亚维尼（JohnChiaverini）表示，“这一进展的关键在于MIT校园团队与林肯实验室的跨机构合作，这也是我们推进后续研究的重要基础。”
    未来，该团队计划对不同芯片架构开展进一步表征实验，实现多离子偏振梯度冷却，并探索这一架构产生的稳定光束在其他领域的应用潜力。