研究人员设计了一种新技术，利用改进的彭宁陷阱（Penning traps）电场在3D结构中捕获离子，形成稳定的双层晶体。

这一创新为更复杂的量子设备铺平了道路，并可以通过更有效地利用空间来彻底改变量子计算和传感。

量子器件挑战

从量子传感器到量子计算机，许多量子设备都使用被电场和磁场捕获的离子或带电原子作为处理信息的硬件平台。

然而，目前的捕获离子系统面临着重要的挑战。大多数实验仅限于一维链或二维离子平面，这限制了量子设备的可扩展性和功能。长期以来，科学家们一直梦想着将这些离子堆叠成三维结构，但这非常困难，因为当以更复杂的方式排列时，很难保持离子的稳定和良好的控制。

离子捕获技术的突破

为了应对这些挑战，来自印度、奥地利和美国的物理学家（包括JILA和NIST的研究员Ana Maria Rey，以及NIST的科学家Allison Carter和John bollinger）提出，调整捕获离子的电场可以创造稳定的多层结构，为未来的量子技术开辟令人兴奋的新可能性。研究人员在《物理评论X》上发表了他们的发现。

Ana Maria Rey说：“在完全可控的条件下，在两个或多个空间分离的层中捕获大量离子的能力，为探索纯二维晶体中不容易获得的新制度和现象提供了令人兴奋的机会，例如拓扑手性模式、隐形传态和空间变化场的精确测量，这些都与量子信息科学相关。”

利用彭宁陷阱增强量子计算

在正在探索的各种量子计算平台中，由于其高度可控性和执行精确量子操作的能力，捕获离子已成为主要候选者。这些离子可以用激光或微波脉冲来操纵，从而改变它们的量子态，允许它们被特定信息“编码”。这些被编码的离子通常被称为量子比特或“量子位”。

在这个过程中，离子也会经历库仑力或与其他离子的相互作用，物理学家可以利用库仑力来纠缠它们，从而降低系统的总体噪声并增强其测量效果。

“以前的研究已经表明，离子晶体可以形成3D球体结构，但我们正在寻找的是一种实现二维层堆叠阵列的方法，”该论文的第一作者、印度科学研究所的研究员Samarth Hawaldar在最近一篇关于该论文的文章中解释道。“我们开始探索在一种被称为彭宁陷阱的特定类型的离子陷阱中实现这种结构的方法，因为这些陷阱擅长储存大量离子，通常是数百到数千个。”

在彭宁阱中，离子可以被迫自聚合成晶体结构，这是由排斥性库仑相互作用和约束势之间的竞争产生的，约束势是将离子安全地困在空间的特定区域的电和磁力的结合。

Allison Carter解释说：“限制是通过一堆电极产生的电磁力和使离子在强磁场中旋转来实现的。”

对于物理学家来说，彭宁陷阱特别有用，因为它们可以储存大量离子，使它们成为实验更复杂的三维结构的好选择。彭宁阱被用来将离子排列成单一的二维层或更圆的三维形状。圆形的三维形状之所以会出现，是因为这些陷阱中的限制电场通常随着与陷阱中心的距离线性增加，就像一个理想的弹簧一样，自然地引导离子进入这些更简单的圆形结构。

然而，包括孟买印度理工学院的Prakriti Shahi在内的研究人员试图修改陷阱的电场，使其更加微妙，并依赖于与陷阱中心的距离。这种微妙的变化使他们能够诱导离子形成一种新的结构 —— 双层晶体，两层离子的平面层堆叠在一起。

该团队进行了大量的数值模拟来验证他们的新方法，表明这种双层结构可以在某些条件下稳定，甚至表明有可能扩展该方法来制造两层以上的晶体。

实验物理学家、该论文的合著者John Bollinger说：“我们很高兴能在实验室中用目前的彭宁阱装置来尝试形成双层晶体。从长远来看，我认为这个想法将促使我们重新设计陷阱的详细电极结构。”

离子捕获的新领域

将离子捕获从2D转移到3D，对传感器或量子计算机等量子设备的未来具有重要意义。

“双层晶体为量子信息处理开辟了几种新的能力，这些能力在一维链或二维平面上是不直接的，”印度科学研究所的博士后研究员Athreya Shankar博士最近在一份关于这项研究的声明中说。“例如，在相隔一段距离的大型子系统之间产生量子纠缠，比如这个系统中的两层，是所有量子硬件都追求的能力。”

研究小组迫切希望在他们的潘宁陷阱中对这些发现进行实验测试。如果成功，这可能会导致新的量子硬件架构，更有效地利用3D空间，从而提高量子技术的可扩展性和稳健性。

除了硬件方面的机会，双层层开启了新的量子模拟和传感的可能性。

“例如，双分子层中离子的正常模式可以耦合垂直和径向自由度，有利于时钟而不是逆时针循环，反之亦然，”Ana Maria Rey解释说。“这可以用来模拟电子在强磁场中经历的丰富行为，但在完全可控的环境下。此外，拥有更多的离子可以增强测量中的信噪比，从而能够更精确地估计时间、电场或加速度等量，这对于发现新的物理学非常重要。”

随着量子技术领域的不断发展，像这样的创新对于实现量子计算、传感等领域的全部潜力至关重要。