编者注（2012年10月9日）：由于本文被诺贝尔委员会在2012年诺贝尔物理学奖的公告中引用为进一步阅读材料，并且也是由一位获奖者撰写的，因此我们将在30天内免费提供本文的文本。 包含图片且发表于2008年8月刊的完整文章可在此处购买此处。
在过去的几十年里，技术进步极大地提高了计算机的速度和可靠性。现代计算机芯片在一平方英寸的硅片上集成了近十亿个晶体管，未来计算机元件的尺寸还将进一步缩小，接近单个分子的尺寸。在这个级别及更小的级别上，计算机可能会开始看起来截然不同，因为它们的工作原理将受量子力学支配，量子力学是解释原子和亚原子粒子行为的物理定律。量子计算机的巨大前景在于，它们可能能够比传统计算机更快地执行某些关键任务。
也许这些任务中最著名的是分解一个由两个素数乘积组成的大数。即使数字长达数百位，计算机也很容易完成两个素数相乘的工作，但相反的过程——推导出素数因子——却极其困难，以至于它已成为当今几乎所有形式的数据加密的基础，从互联网商业到国家机密的传输。
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1994年，当时在贝尔实验室的彼得·肖尔表明，理论上，量子计算机可以轻松破解这些加密代码，因为它分解数字的速度比任何已知的经典算法都要快指数级。并且，在1997年，同样在贝尔实验室的洛夫·K·格罗弗表明，量子计算机可以显着提高搜索未排序数据库的速度——例如，当您只有电话号码时在电话簿中查找姓名。
然而，实际构建量子计算机并非易事。量子硬件——原子、光子或用于在量子比特或量子位中存储数据的微结构——需要满足相互冲突的要求。量子位必须充分隔离于周围环境；否则，杂散的外部相互作用将停止它们的计算。这种破坏性过程，称为退相干，是量子计算机的祸根。但是量子位也必须彼此强烈交互，并且最终必须准确测量以显示其计算结果。
全球的科学家正在探索几种构建第一台原型量子计算机的方法。我们自己的研究侧重于使用单电荷正离子（已被剥夺一个电子的原子）处理信息。我们捕获了短链离子——使用附近电极产生的电场将粒子限制在真空中——以便它们可以接收来自激光的输入信号并彼此共享数据。我们的目标是开发可扩展的量子计算机——也就是说，量子位的数量可以增加到数百或数千个的系统。这样的系统将通过完成普通计算机无法比拟的复杂处理任务来实现该技术的承诺。
捕获离子
量子力学是基于波的理论。正如来自两个或多个钢琴弦的声波可以合并成和弦一样，不同的量子态可以组合成叠加态。例如，一个原子可能同时位于两个位置或处于两种不同的激发态。当测量处于叠加态的量子粒子时，传统的解释是该状态坍缩为单个结果，每次可能测量的概率由叠加态中波的相对比例给出。量子计算机的潜在威力源于这些叠加：与只能具有值 0 或 1 的传统数字位不同，量子位可以同时为 0 和 1。具有两个量子位的系统可以同时容纳四个值——00、01、10 和 11。一般来说，具有 N 个量子位的量子计算机可以同时处理 2N 个数字；仅包含 300 个原子的集合（每个原子存储一个量子位）就可以容纳比宇宙中粒子数量更多的值！
这些较大的量子叠加通常是纠缠的，这意味着对单个量子位的测量将是相关的。量子纠缠可以被认为是粒子之间的一种无形连接，这种连接无法在经典物理学中复制，爱因斯坦称之为“幽灵般的超距作用”。例如，在我们的离子阱实验中，每个电磁悬浮离子都像一个微观条形磁铁；量子位状态 1 和 0 可以对应于每个原子磁体的两种可能的方向（例如，向上和向下）。激光冷却通过散射光子来耗散原子的动能，使离子几乎静止在阱内。由于离子驻留在真空室中，因此它们与环境隔离，但它们之间的电斥力为产生纠缠提供了强烈的相互作用。并且比人类头发还细的激光束可以瞄准单个原子，以操纵和测量存储在量子位中的数据。
在过去的几年中，科学家们使用捕获的离子进行了许多量子计算的概念验证实验。研究人员已经产生了多达八个量子位的纠缠态，并表明这些简陋的计算机可以运行简单的算法。将捕获离子方法扩展到更大数量的量子位似乎很简单（尽管技术上非常具有挑战性）。借鉴经典计算机的经验，这项工作将涉及对几种类型的量子逻辑门进行排序，每种逻辑门仅由几个捕获的离子组成。科学家们可以将传统的纠错技术应用于量子世界，方法是使用多个离子来编码每个量子位。在这里，信息的冗余编码允许系统容忍错误，只要错误发生的速率足够低。最终，有用的捕获离子量子计算机最有可能需要存储和操纵至少数千个离子，这些离子被捕获在微芯片上复杂的电极阵列中。
制造“通用”量子计算机（可以执行所有可能计算的计算机）的首要要求是可靠的内存。如果我们将量子位置于 0 和 1 的叠加态，离子磁方向同时指向上和下，则它必须保持在该状态，直到数据被处理或测量。研究人员早就知道，保存在电磁阱中的离子可以充当非常好的量子位内存寄存器，叠加寿命（也称为相干时间）超过 10 分钟。这些相对较长的寿命是由于离子与其周围环境之间的相互作用非常弱而产生的。
量子计算的第二个基本要素是操纵单个量子位的能力。如果量子位基于捕获离子的磁方向，研究人员可以使用振荡磁场，施加指定的时间，来翻转量子位（将其从 0 更改为 1，反之亦然）或将其置于叠加态。鉴于捕获离子之间的距离很小（通常为几百万分之一米），很难将振荡场定位到单个离子，这很重要，因为我们通常希望更改一个量子位的方向而不更改其邻居的方向。但是，我们可以通过使用聚焦在感兴趣的特定量子位（或量子位）上的激光束来解决此问题。
第三个基本要求是设计至少一种量子位之间逻辑门的能力。它可以采用与经典逻辑门相同的形式——AND 和 OR 门，它们是传统处理器的构建块——但它也必须作用于量子位特有的叠加态。双量子位逻辑门的一个流行选择称为受控非门 (CNOT)。让我们将量子位输入称为A和B。A是控制位。如果A的值为 0，则 CNOT 门保持B不变；如果A为 1，则门翻转B，将其值从 0 更改为 1，反之亦然。此门也称为条件逻辑门，因为对量子位输入B采取的操作（位是否翻转）取决于量子位输入A的条件。
为了在两个离子量子位之间制作条件逻辑门，我们需要它们之间存在耦合——换句话说，我们需要它们相互对话。由于两个量子位都带正电，因此它们的运动通过称为互库仑斥力的现象而强烈地电耦合。1995年，当时都在奥地利因斯布鲁克大学的胡安·伊格纳西奥·西拉克和彼得·佐勒提出了一种利用这种库仑相互作用来间接耦合两个离子量子位的内部状态并实现 CNOT 门的方法。以下是他们门的变体的简要说明。
首先，考虑碗中的两个弹珠。假设弹珠带电并相互排斥。两个弹珠都想沉淀在碗底，但库仑斥力导致它们静止在相对的两侧，每个都稍微向上倾斜。在这种状态下，弹珠会倾向于同步移动：例如，它们可以在碗中沿着它们的对齐方向来回振荡，同时保持它们之间的分离距离。离子阱中的一对量子位也将体验到这种共同运动，像两个用弹簧连接的摆锤一样来回晃动。研究人员可以通过施加来自激光束的光子压力（以阱的自然振荡频率调制）来激发共同运动。
更重要的是，只有当激光束的磁方向向上时，激光束才会影响离子，此处向上对应于量子位值 1。更重要的是，这些微观条形磁铁在空间中振荡时会旋转其方向，并且旋转量取决于一个离子还是两个离子都处于 1 状态。最终结果是，如果我们对离子施加特定的激光力并持续精心调整的时间，我们就可以创建一个 CNOT 门。当量子位在叠加态中初始化时，此门的作用会使离子纠缠，使其成为在许多离子之间构建任意量子计算的基本操作。
包括因斯布鲁克大学、密歇根大学安娜堡分校、国家标准与技术研究院 (NIST) 和牛津大学的研究小组在内的几个实验室的研究人员已经演示了工作的 CNOT 门。当然，没有一个门可以完美工作，因为它们受到激光强度波动和嘈杂的环境电场等因素的限制，这些因素会损害离子激光激发运动的完整性。目前，研究人员可以制造一个双量子位门，其“保真度”略高于 99%，这意味着门操作错误的概率小于 1%。但是，有用的量子计算机可能需要达到约 99.99% 的保真度，才能使纠错技术正常工作。所有捕获离子研究小组的主要任务之一是降低背景噪声，使其足以达到这些目标，尽管这项工作将是艰巨的，但没有任何基本因素阻碍其实现。
离子高速公路
但是研究人员真的可以用捕获的离子制造出功能齐全的量子计算机吗？不幸的是，似乎更长的离子链——包含超过约 20 个量子位的离子链——将几乎不可能控制，因为它们的许多共同运动的集体模式会相互干扰。因此，科学家们已经开始探索将量子硬件分成可管理的部分的想法，使用可以在量子计算机芯片上来回穿梭的短离子链执行计算。电力可以移动离子链，而不会干扰其内部状态，从而保留它们携带的数据。研究人员可以将一个离子链与另一个离子链纠缠，以传输数据并执行需要许多逻辑门操作的处理任务。由此产生的架构在某种程度上类似于数字相机中使用的熟悉的电荷耦合器件 (CCD)；正如 CCD 可以将电荷移动穿过电容器阵列一样，量子芯片可以推动单个离子链穿过线性阱网格。
NIST 的许多捕获离子实验都涉及在多区域线性阱中穿梭离子。然而，将这个想法扩展到更大的系统将需要更复杂的结构，其中包含大量可以引导离子向任何方向移动的电极。电极必须非常小——在 10 到 100 万分之一米的范围内——才能精确地限制和控制离子穿梭过程。幸运的是，捕获离子量子计算机的构建者可以利用微细加工技术，例如微机电系统 (MEMS) 和半导体光刻技术，这些技术已经用于构建传统的计算机芯片。
在过去一年中，几个研究小组已经演示了第一个集成的离子阱。密歇根大学和马里兰大学物理科学实验室的科学家在其量子芯片中采用了砷化镓半导体结构。NIST 的研究人员开发了一种新的离子阱几何结构，其中离子漂浮在芯片表面之上。阿尔卡特-朗讯和桑迪亚国家实验室的研究小组在硅芯片上制造了更精密的离子阱。关于这些芯片阱，还有许多工作要做。必须降低来自附近表面的原子噪声，或许可以通过用液氮或液氦冷却电极来实现。研究人员必须巧妙地编排离子在芯片上的运动，以避免加热粒子并扰乱其位置。例如，在T形交叉路口周围穿梭离子需要仔细同步电力。
光子连接
与此同时，其他科学家正在探索另一种利用捕获离子构建量子计算机的方法，这种方法可能会规避控制离子运动中的一些困难。这些研究人员没有通过离子的振荡运动来耦合离子，而是使用光子来连接量子位。在基于 2001 年西拉克、佐勒及其同事密歇根大学的段路明和哈佛大学的米哈伊尔·卢金提出的想法的方案中，光子从每个捕获的离子发射出来，使得光子的属性——例如偏振或颜色——与离子的内部磁量子位状态纠缠在一起。然后，光子通过光纤传输到分束器，分束器是一种通常用于将光束分成两束的设备。但是，在这种设置中，分束器反向工作：光子从相对两侧接近设备，如果粒子具有相同的偏振和颜色，它们会相互干涉，并且只能沿着相同的路径出现。但是，如果光子具有不同的偏振或颜色——表明捕获的离子处于不同的量子位状态——粒子可以 沿着单独的路径到达一对探测器。这里的重点是，在检测到光子后，不可能分辨出哪个离子发射了哪个光子，而这种量子现象会在离子之间产生纠缠。
然而，发射的光子并非每次尝试都能成功收集或检测到。事实上，绝大多数时候光子都会丢失，离子也不会纠缠。但是，仍然可以通过重复该过程并简单地等待探测器同时计数光子来从这种类型的错误中恢复。一旦发生这种情况，即使离子可能相隔很远，对其中一个量子位的操纵也会影响另一个量子位，从而允许构建 CNOT 逻辑门。
密歇根大学和马里兰大学的科学家已经成功地使用发射光子的干涉纠缠了两个捕获离子量子位，它们相隔约一米。此类实验的主要障碍是纠缠产生率低；将这些单光子捕获到光纤中的可能性非常小，以至于离子每分钟仅纠缠几次。可以通过用所谓的 оптический резонатор 中的高反射镜包围每个离子来显着提高该速率，这将大大改善离子发射与光纤的耦合，但这种增强目前在实验上非常难以实现。然而，只要干涉最终发生，研究人员仍然可以将该系统用于量子信息处理。（该过程类似于在新房子中安装有线电视：尽管可能需要多次打电话给服务提供商才能安装系统，但最终电缆会连接好，您就可以观看电视。）
此外，研究人员可以通过光纤连接额外的离子发射器并重复该过程，直到建立更多纠缠链接，从而将量子门操作扩展到大量量子位。也可以使用光子耦合和前面讨论的运动耦合来连接远程甚至全球距离上的几个小型捕获离子集群。这正是“量子中继器”背后的想法，其中小型量子计算机以周期性距离联网，以在量子位传输数百公里时保持量子位。如果没有这样的系统，数据通常会永远丢失。
量子未来
科学家们离构建一台可以应对艰巨挑战（例如分解非常大的数字）的量子计算机还很远，这些挑战一直困扰着传统机器。尽管如此，量子信息处理的一些功能已经开始在现实世界中得到应用。例如，双量子位门所需的几个简单逻辑运算可以应用于原子钟，原子钟根据原子在量子态之间跃迁时发射的辐射频率来计时。研究人员可以将纠缠捕获离子的技术应用于提高光谱学测量的灵敏度，光谱学是对受激原子发射的光进行分析。
量子信息科学领域有望从根本上改变计算规则。捕获离子集合正处于这项工作的最前沿，因为它们提供的与环境的隔离程度是目前大多数其他物理系统无法比拟的。与此同时，通过使用激光，研究人员可以轻松地制备和测量用少量离子设计的纠缠量子叠加。在未来几年，我们期待新一代的捕获离子芯片，这些芯片可能会为具有更多量子位的量子计算机铺平道路。到那时，科学家们最终可能会实现他们创建量子机器的梦想，这种机器可以应对曾经被认为是不可能的艰巨任务。
