离子“跑车”可迅速加速和突然刹车可作为量子计算机中的量子位来传递信息

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2012/08/11

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物理知识

中国科技网讯据物理学家组织网8月9日报道，美国国家标准与技术研究院（NIST）的物理学家开发出了“另类跑车”——速度可以从零迅速提升到每小时161公里，然后在短短几微秒时间内“刹车”的铍离子。这些离子在骤然停顿时可以保持完全静止，“高速行驶”对它们几乎没有影响。科学家认为，这一点对于研制未来的量子计算机将大有帮助。

这些离子在一个离子阱中的行驶速度比以前所能达到的速度加快了100倍，确切来说，单个离子仅用8秒时间就前进了370微米。这项新实验还证明，研究人员可以对离子阱中离子的快速加速和突然停止进行精确控制，并且不会影响到离子的电子能级，这对于研发量子计算机而言非常重要，因为存储在这些能级中的信息需要被传递出去，而信息内容不能遭到破坏。

量子计算机可以解决很多目前相当棘手的重要问题。携带信息的量子位（或量子比特）需要在处理器中四处移动。用离子充当量子位，信息传递可以通过移动离子来实现。在过去，移动离子所用的时间比通过离子进行逻辑运算的时间要长，而新研究让这一难题迎刃而解。

研究人员在《物理评论快报》上描述了实验过程。他们将被囚禁的离子冷却至最低的量子运动能态，然后分别用一个和两个离子进行实验，让它们在一个多区离子阱中移动几百微米的距离。快速加速激发了离子的振荡运动，这是研究人员不希望的，但他们很好地控制了减速，使离子在停下来时恢复到了它们最初的量子态。

快速现场可编程门阵列（FPGA）技术是成功控制离子加速和刹车的法宝。研究人员对施加到离子阱中各种电极上的电压电平和持续时间进行编程，平稳的电源电压可以让离子快速移动，同时也能防止它们出现振荡。

研究人员认为，随着控制精度的提升，离子的运动速度还可以更快，并且在停止后仍然能够回到最初的量子态。但他们还必须努力应对许多实际的挑战，比如抑制环境中的嘈杂电场给离子运动带来的不必要的热量。（陈丹）

《科技日报》（2012-8-11 二版）