離子阱（Ion trap），又稱離子囚禁，一種利用電場或磁場，或者它們的組合，將離子限定在真空度極高的有限空間內(nèi)的裝置。其技術原理是利用電荷與電磁場間的交互作用力牽制帶電粒子運動，并利用受限離子的基態(tài)和激發(fā)態(tài)組成的兩個能級作為量子比特，利用微波激光照射操縱量子態(tài)，通過連續(xù)泵浦光和態(tài)相關熒光實現(xiàn)量子比特的初始化和探測，離子阱量子比特可以很容易與更多量子比特互動。
量子計算機以粒子的量子力學狀態(tài)，如傳統(tǒng)計算機以電位的高低表示位元0和1，而量子計算機以粒子的量子力學狀態(tài)，如原子的自旋方向等表示0和1，稱為“量子比特”。離子阱利用電極產(chǎn)生電場，將經(jīng)過超冷處理的離子囚禁在電場里，實現(xiàn)量子比特。因此離子阱可以應用于實現(xiàn)量子計算機。
離子阱，大致分為三維離子阱、線性離子阱、軌道離子阱三種。應用最多的離子阱有“保羅離子阱”（即四極離子阱，沃爾夫?qū)けＡ_）和彭寧離子阱。
概述
定義
離子阱，（Ion trap），由一對環(huán)形電極（ring electrode）和兩個呈雙曲面形的端蓋電極（end cap electrode）組成，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(nèi)的裝置。
離子阱質(zhì)譜屬于動態(tài)質(zhì)譜，與四極桿質(zhì)譜有很多相似之處。如果將四極桿質(zhì)量分析器的兩端加上適當?shù)碾妶鰧⑵浞馍希瑒t四極桿內(nèi)的離子將受x, y, z三個方向電場力的共同作用，使得離子能夠在這三個力的共同作用下比較長時間的呆在穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)，就象一個電場勢阱，這樣的器件被稱為離子阱。
特點
離子的囚禁在真空中實現(xiàn)，離子與裝置表面不接觸。應用最多的離子阱有“保羅阱”（四極離子阱）和“Penning阱”。離子阱質(zhì)譜可以很方便地進行多級質(zhì)譜分析，對于物質(zhì)結構的鑒定非常有用。在質(zhì)譜的使用過程中，離子阱被認為做定性方面有較大優(yōu)勢；而四極桿在定量方面有優(yōu)勢。離子阱在做多級MS方面有性能（非常容易就能做到3級以上的MS）和成本（只用一個阱就能做）上的優(yōu)勢；而四極桿只能做到二級MS（三重四極桿儀器），且價格較貴。
發(fā)展
早在1950年，年輕的漢斯·格奧爾格·德默爾特在哥廷根大學跟隨理查德·貝克教授學習時，心中萌生了捕捉單個電子的念頭。當時，貝克教授在他的課堂上以一個簡單的黑板上的點象征性地表示電子，這一形象生動的教學瞬間在德梅爾特心中留下了深刻印象。盡管量子力學課程已教給他任何量子粒子都不可能保持靜止的基本原理，這個看似“微不足道”的矛盾卻在德梅爾特心中縈繞近半個世紀。
1956年，德默爾特首次描寫了離子阱對高分辨率質(zhì)譜的優(yōu)點。此后開始研究怎樣建造離子阱。1959年，成功地將電子在一個多腔磁控管中限制了10秒鐘，后來的彭寧阱就是按照這個原理運行的。
1973年，在經(jīng)歷了二十多年的思考與探索后，德梅爾特終于借助一種名為彭寧離子阱的裝置實現(xiàn)了對單個量子粒子的俘獲。彭寧離子阱由荷蘭物理學家弗朗斯·彭寧于1936年發(fā)明，其設計巧妙，通過利用磁場和負電極金屬盤構建了一個真空環(huán)境，能有效地將電子限制在其中而不逸出。
漢斯·格奧爾格·德默爾特領導的研究團隊在華盛頓大學逐步完善實驗技術，他們讓電子逐一從陷阱中逃逸，最終只留下單獨的一個。起初，他們只能維持單個電子在阱中存在幾天，隨后逐漸延長至數(shù)周，再后來達到幾個月之久。最后，在一次標志性實驗中，他們觀測到了單個電子在阱內(nèi)的振蕩狀態(tài)持續(xù)將近一年的時間，從而能夠以前所未有的精確度測定單個電子的磁性質(zhì)。
1987年，德梅爾特團隊進一步將實驗拓展到正電子——電子的反粒子（將在后續(xù)章節(jié)詳述）。為了彰顯他們成功捕獲并研究的單個正電子的真實性，德梅爾特給這個正電子賦予了一個具有象征意義的名字：“正電子普里西拉”。這次里程碑式的成就不僅驗證了量子理論預測，也為科學家們提供了深入探究微觀世界的新途徑。
1990年，美國國家標準與技術研究所與科羅拉多大學的科學家大衛(wèi)·維因蘭德(David Wineland)和他的同事們在《物理評論A：原子，分子和光學物理》發(fā)表論文《量子芝諾效應》，闡述了他們發(fā)現(xiàn)量子芝諾效應的實驗。這個實驗將幾千個原子捕捉在一個磁場內(nèi)，然后用經(jīng)過精密計算的激光束沖擊，在持續(xù)的觀測下，這些原子給出了量子芝諾效應的明確證據(jù)。
1995年，伊格納西奧·西拉克和彼得·佐勒提出使用超冷被捕獲離子來實現(xiàn)量子門的方法，離子阱量子計算機的基礎開始完備。
2012年，大衛(wèi)·維因蘭德獲得了諾貝爾物理學獎，獲獎理由是“發(fā)現(xiàn)測量和操控單個量子系統(tǒng)的突破性實驗方法”。學術界已把《量子理論中的芝諾悖論》一文指稱的“量子芝諾悖論”改稱為“量子芝諾效應”。
在應用于量子計算機中時，離子阱量子計算機相比于超導量子計算機最大的優(yōu)勢就是全連接性。由于使用了完全相同的、完全連接的量子位，再與精確控制相結合，所以離子阱量子計算機擁有了高質(zhì)量的量子位和最低的錯誤率。但是離子阱難以擴展，一個離子阱里面一百多個量子比特已經(jīng)是目前的技術上限，若要擴展成多個連接在一起的阱，則需要更多的技術投入，并且在可操控性上也很弱，而且與經(jīng)典計算很難實現(xiàn)兼容。與超導技術路線相比，離子阱更學院派。
學界對離子阱路線的基礎路線研究很多，但是近幾年才開始有公司大規(guī)模開展離子阱量子計算機的研發(fā)，這其中包括美國的霍尼韋爾中國有限公司和IonQ、英國的UQ（Universal Quantum）以及中國的啟科量子等。2018年12月，IonQ實現(xiàn)79位處理量子比特和160位存儲量子比特。作為工業(yè)巨頭的霍尼韋爾，在2018年宣布進軍量子計算領域，采用離子阱技術實現(xiàn)量子計算，并于2020年6月推出了64量子體積的量子計算機。8月，美國杜克大學和馬里蘭大學的研究者設計出了在低溫下運行的全連接的32比特離子阱量子計算機寄存器，相比霍尼韋爾中國有限公司6比特全連接提高了5倍，是目前公開最多量子比特全連接的技術架構。10月，霍尼韋爾將量子體積提升為128，但IonQ宣布在32量子比特離子阱量子計算機上實現(xiàn)預期超過400萬量子體積。UQ在2020年獲得了450萬美元的超額種子輪融資，被投資機構評價為“UQ是全球唯一能夠?qū)⒘孔佑嬎愕男侍岣叩街笖?shù)級的公司”。同年，北京啟科量子在中國光博會上透露“天算1號”離子阱可擴展分布式量子計算機項目，第一階段技術指標可達到100個可操控量子比特以上，且預計在2-3年內(nèi)完成。
分類
三維離子阱
由一個環(huán)形電極和兩個端蓋電極組成。環(huán)形電極和端蓋電極均為旋轉雙曲面形狀，也可由在多個（一般為5或者7個）環(huán)狀電極上施加合適的電壓產(chǎn)生的電勢面形成。如果環(huán)形電極與端蓋電極之間施加射頻電壓，則稱為泡利離子阱；如果環(huán)形電極與端蓋電極之間施加直流電壓，且在軸向施加磁場，則稱為彭寧離子阱。離子可以被聚焦到阱中心的一個非常小的空間。彭寧離子阱主要用于高精度測量原子（核）的質(zhì)量。通過飛行時間(或傅里葉變換)-離子回旋共振技術，彭寧離子阱測量的穩(wěn)定原子核的質(zhì)量精度可以達到百億分之一。相對精度高達千億分之三的電子質(zhì)量也是在彭寧離子阱中測量的。
線性離子阱
也稱為線性泡利離子阱，由兩組雙曲線形（或圓形）極桿和兩端的端部極桿組成。兩組極桿之間施加幅度相同而相位相反的射頻電壓，以限制離子的徑向運動。為了限制離子的軸向運動，同時還需在端部極桿上施加直流電壓。根據(jù)直流電壓的分布不同，離子可以遍布在阱中心軸線上，或者聚集到一個很小的空間。泡利離子阱主要用于離子的存儲和束流的準備。
軌道離子阱
由中心紡錘形電極和具有紡錘形內(nèi)表面的外殼組成。由于靜電力作用，離子受到來自中心紡錘形電極的吸引。由于離子進入離子阱前具有初速度和角度，離子會圍繞中心電極做圓周運動。軸向上，離子往復運動，從而實現(xiàn)了離子的儲存。軌道離子阱已經(jīng)運用于商業(yè)活動中，可以用于分析復雜混合物（或化合物）的組成。通過傅里葉變換-離子回旋共振技術，軌道離子阱的測量精度可達百萬分之幾。
離子阱工作原理
彭寧離子阱
彭寧離子阱是荷蘭物理學家弗朗斯·彭寧在1936年發(fā)明的，它能把電子限制在真空中兩塊帶負電的金屬盤中間。金屬盤周圍有磁場，用來防止電子從阱的旁邊溢出。利用一個帶負電的金屬叉子可以把電子放置到阱中。通過檢測粒子在阱里面的來回振蕩阱，可以確認粒子的存在。
保羅離子阱
離子阱作為一種重要的質(zhì)量分析器，通過精心設計的電場來捕獲和區(qū)分不同質(zhì)荷比的離子。這一裝置最早由德國物理學家 Wolfgang Paul和Helmut Steinwedel于1953年研發(fā)成功，并在1960年獲得專利，因其發(fā)明者Paul而被普遍稱為“保羅離子阱”。鑒于其在物理學領域的重大貢獻，Wolfgang Paul 在1989年榮獲諾貝爾物理學獎。離子阱的核心構造包括一個環(huán)形電極以及位于該環(huán)前后兩端的兩個端帽電極，這三個電極內(nèi)部均呈近似的雙曲面形狀，其中心的小孔允許離子進出陷阱。端帽電極可以接地、連接交流電或直流電，而環(huán)形電極則施加高頻正弦電壓。這種結構形成一個內(nèi)部空腔，成為了離子化、裂解、存儲以及進行質(zhì)量分析的主要場所。離子阱因其實用性強，便于拆卸、重裝和清洗而受到青睞。
功能應用
離子阱是一種非常多用途的量子器件。首先，可以使用外部激光將振動運動和內(nèi)部電子狀態(tài)相干耦合。其次，解決的邊帶冷卻能夠使振動運動在其基本狀態(tài)下以接近1的概率做好準備。這是通過使用外部激光來引發(fā)地面與激發(fā)的內(nèi)部電子狀態(tài)之間的拉曼躍遷實現(xiàn)的，其在每個激發(fā)周期吸收一個光子和一個振動聲子。最后，熒光擱置的方法使單個俘獲離子的內(nèi)部電子態(tài)能夠以接近1的效率進行測量。
離子阱廣泛應用于多種實驗場景，如化學電離源（Chemical Ionization, CI）、電子離子源（Electron Ionization, EI）、選擇離子監(jiān)測（Selected Ion Monitoring, SIM）、選擇反應監(jiān)測（Selected Reaction Monitoring, SRM）、多重反應監(jiān)測（Multiple Reaction Monitoring, MRM）及多重質(zhì)譜（Multiple MS, MS^n）等技術中。特別是在化學離子源中，可通過引入反應氣體至雙曲型空腔內(nèi)實現(xiàn)離子化過程。離子阱的獨特優(yōu)勢在于能夠靈活地在電子離子源與化學離子源之間切換，甚至在單次色譜周期內(nèi)也可完成轉換。 離子阱以其掃描速度快、內(nèi)部離子源供應、離子循環(huán)重復利用以及高效檢測性能而著稱，擁有極高的靈敏度。此外，相較于其他類型的質(zhì)譜分析儀，離子阱的成本相對較低，并且對真空系統(tǒng)的要求也不高，通常只需要達到10-3托的壓力即可運行，相比之下，四極質(zhì)譜儀（QMS）需要高達10-3托的真空水平。這些特性使得離子阱成為實驗室中普及率較高且實用價值顯著的一種質(zhì)譜設備。
相關事件
2023年3月2日，奧地利因斯布魯克大學物理學家將氘（氫的同位素）引入一個離子阱，使其冷卻，然后用氫氣填充離子阱。首次在實驗中觀察到了量子隧穿效應，這是有史以來觀察到的最慢的帶電粒子反應。據(jù)稱，這種量子事件每 100 億次發(fā)生一次。
2024年1月，清華大學研究團隊利用同種離子的雙類型量子比特編碼，在國際上首次實現(xiàn)無串擾的量子網(wǎng)絡節(jié)點，對未來實現(xiàn)量子通訊和大規(guī)模量子計算具有重要意義。該研究成果發(fā)表于國際學術期刊《自然-通訊》。
參考資料 >
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重磅發(fā)布！2020全球量子計算機產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告.微信公眾平臺.2024-01-25
每 100 億次碰撞僅發(fā)生一次，科學家首次觀察到量子隧穿效應.IT之家.2024-01-25
楊秀玲到華翊量子調(diào)研 經(jīng)開區(qū)將全面支持量子產(chǎn)業(yè)發(fā)展.北京經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)管委會.2024-01-25
一文讀懂：有關量子計算的十個問題.虎嗅.2024-02-19
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