A scalable, high-speed measurement-based quantum computer using trapped ions
我们描述了一个可扩展的，高速的，和强大的架构，用于基于测量的量子计算与捕获离子。基于测量的架构提供了一种通过并行化缓慢的纠缠操作并将速度要求转移到量子位的快速测量来显着加速量子计算机操作的方法。我们表明，一个适合于容错测量为基础的量子计算的三维集群状态可以实现在一个二维阵列的离子阱。我们提出了通过多光子光电离纳秒操作的离子的投影测量，并讨论了这样一个计划的可行性钙离子。
2009-05-01 quant-ph
Scalable quantum search using trapped ions
我们提出了一个可扩展的实现Grover的量子搜索算法的离子捕获量子信息处理器。利用简单的绝热方法将系统初始化为纠缠Dicke态。反转约平均和预言运营商采取的形式，单一的非共振激光脉冲，寻址，分别，所有和一半的离子在陷阱。这是通过利用捕获离子线性晶体的物理对称性而实现的。该算法的物理实现代表了一个戏剧性的简化：每个逻辑迭代（预言和平均值的反演）只需要两个物理交互步骤，与以前的方法所需的大量级联门相反。这不仅便于实现，而且提高了算法的整体保真度。
2010-02-17 quant-ph
Microoptical Realization of Arrays of Selectively Addressable Dipole Traps: A Scalable Configuration for Quantum Computation with Atomic Qubits
我们实验证明了新的结构，实现登记册的原子量子位：我们陷阱中性原子在一维和二维阵列的远失谐偶极陷阱通过聚焦红色失谐激光束与微制造阵列的微透镜。我们能够有选择地解决个别陷阱网站，由于他们的大横向分离125 μ m。我们初始化并读取各个站点的不同内部状态。我们还创建了两个交错设置的陷阱阵列与可调的分离，所需的许多建议实施的量子门操作。
2002-08-14 quant-ph
Demonstration of a scalable, multiplexed ion trap for quantum information processing
制作并测试了一种用于量子信息处理的可扩展的多路复用离子阱。陷阱的设计和制造过程进行了优化，可扩展到小陷阱的大小和大量的互连陷阱，并集成的控制电子和光学。在室温下用Cd+、Mg+和Sr+离子以及在6 K下用Sr+测试具有类似设计的多个阱，其中各自的离子寿命为90 s、300 +/- 30 s、56 +/- 6 s和4.5 +/- 1.1小时。在室温和1.6MHz的陷阱频率下，测得Mg+的运动加热速率为7 +/-3量子/毫秒。对于Sr+，在6 K和540 kHz下，测得的加热速率为每秒220 +/- 30量子。
2009-07-09 quant-ph
Pairwise-parallel entangling gates on orthogonal modes in a trapped-ion chain
并行操作对于近期的量子计算机和更大规模的容错机器都很重要，因为它们减少了执行时间和量子比特空闲。我们提出并实现了一种在离子阱量子计算机上的成对并行门方案。门被同时驱动的捕获离子链的正交运动模式的不同集合。我们证明了该方案的实用性，通过创建一个GHZ状态在一个步骤中使用一个重叠的量子比特的并行门。我们还显示了它的优势，电路通过实现一个相互作用的自旋系统，横向场伊辛模型的动力学的数字量子模拟。当不涉及重叠量子位时，这种方法有效地将可用栅极深度扩展高达两倍，除了额外的初始冷却之外没有开销。这是因为使用一组额外的模式作为额外的量子自由度几乎相当于将陷阱加热速率减半，将激光和量子比特相干时间加倍，并将控制器存储器深度扩展到两倍。该方案可以很容易地应用于不同的捕获离子量子比特和门方案，广泛地增强了捕获离子量子计算机的能力。
2023-02-17 physics.atom-ph quant-ph
Optimal quantum control of multi-mode couplings between trapped ion qubits for scalable entanglement
我们展示了高保真纠缠量子门内的五个被困离子量子比特链最佳成形耦合到多个集体运动模式的光场。我们利用分段的光脉冲分别寻址量子比特，以可编程的方式构造多体纠缠态。这种方法实现了高保真度和快速量子门，其可以缩放到更大的量子位寄存器以用于量子计算和模拟。
2014-01-08 quant-ph
Scalable ion traps for quantum information processing
我们报告的设计，制造和初步测试的150区阵列内置在一个“表面电极”的几何微加工在一个单一的基板上。我们证明了运输的腿之间的一个'Y'型结的原子离子和测量原位加热率的离子。陷阱设计演示了使用基本组件设计库，可以快速组装，以形成针对特定实验优化的结构。
2009-09-14 quant-ph
Complete methods set for scalable ion trap quantum information processing
大规模量子信息处理器必须能够传输和维护量子信息，并重复执行逻辑运算。在这里，我们展示了使用存储在捕获的原子离子的内部状态中的量子位来执行可扩展的量子计算所需的所有基本元素的组合。我们量化了多量子比特操作的可重复性，尽管量子比特在宏观距离上传输，但没有观察到性能损失。这些结果的关键是使用不同的铍离子超精细态对进行稳健的量子位存储、读出和门，以及同时捕获镁再冷却离子和量子位离子。
2009-07-10 quant-ph
Implementation of local and high-fidelity quantum conditional phase gates in a scalable two-dimensional ion trap
我们提出了一个方案，以实现高保真度条件相位门对被困离子浸没在一个二维库仑晶体，利用所有轴向模式介导的相互作用，没有边带寻址。通过数值计算表明，通过对激光束进行整形，仅能激发局域模实现纠缠门，从而使量子门的复杂度不随系统尺寸的增加而增加。这些结果为在二维陷阱结构中实现大规模容错量子计算提供了一种有希望的途径。
2009-11-10 quant-ph
A scalable helium gas cooling system for trapped-ion applications
微加工离子阱器件为可扩展的量子计算提供了一条有前途的途径。研究工作已经开始集中在与开发大规模离子阱阵列和网络相关的工程挑战上。然而，增加阵列的尺寸和集成芯片上的电子器件会大大增加离子阱芯片内的功耗。这导致离子阱的工作温度升高，并限制了器件性能。因此，有效的热管理是任何大型架构的重要考虑因素。这里介绍的是一个模块化的冷却系统，设计用于多个离子捕获实验同时使用的发展。该系统包括一个可扩展的低温恒温器，允许缩放冷却功率以满足大型网络的需求。在对两个独立的离子阱实验进行实验测试后，冷却系统预计将在~70 K下为多达四个实验提供111 W的净冷却功率。该冷却系统是朝着应对操作具有许多量子位的大规模量子计算机的实际挑战迈出的一步。
2021-06-14 quant-ph
Experimental Proposal on Scalable Radio-Frequency Magnetometer with Trapped Ions
本文提出一种基于囚禁离子和混合动力学解耦的可扩展射频磁力计，通过缀饰态与周期序列结合，在 $10^4$ 离子系统中实现 13 $\rm{fT}/\sqrt{\rm{Hz}}$ 的灵敏度，并延长相干时间至分钟量级。
2025-10-26 quant-ph
Co-Designing a Scalable Quantum Computer with Trapped Atomic Ions
第一代量子计算机即将出现，由量子硬件平台制造，可能很快就能够处理传统计算机无法执行或建模的某些任务。这些量子设备不太可能是通用的或完全可编程的，而是专用处理器，其硬件将与特定的目标应用程序紧密协同设计。被捕获的原子离子是第一代量子计算机的领先平台，但也可以从根本上扩展到未来几代更强大的通用设备。这是因为被捕获的离子量子比特是原子钟标准，可以与10 ^15中的一部分相同，并且它们的量子线路连接可以通过使用外部场来重新配置，而无需修改量子比特本身的排列或架构。在这篇文章中，我们将展示如何从离子晶体中设计出任何尺寸的模块化量子计算机，以及如何根据各种应用和量子计算协议定制离子阱量子位之间的布线。
2016-02-09 quant-ph
Multilayer ion trap technology for scalable quantum computing and quantum simulation
我们提出了一种新的离子阱的制造方法，使多层离子阱的实现可扩展到原则上任意数量的金属介电水平。我们基准我们的方法通过制造一个多层离子阱集成三维微波电路。我们证明了离子捕获和微波控制的超精细态的激光冷却$\,^{9}$是$^{+}$离子在35 $\,μ$米以上的陷阱表面的距离举行。该方法可用于实现大规模离子阱阵列，用于可扩展的量子信息处理和量子模拟。
2018-12-05 physics.atom-ph quant-ph
Surface trap with adjustable ion couplings for scalable and parallel gates
本文设计了一种表面电极Paul阱，通过调节直流电压实现离子运动分离或耦合，支持并行MS纠缠门，并验证了其可扩展性及在声子占据和频率漂移下的性能。
2024-01-17 quant-ph
Scalable quantum computation with fast gates in two-dimensional microtrap arrays of trapped ions
我们从理论上研究了在二维微阱结构中使用快脉冲双量子比特门进行囚禁离子量子计算。在一个维度上，这样的快速门是最佳的最近的邻居之间时，我们研究的推广到一个二维的几何形状。我们证明，快速脉冲门能够实现高保真度的纠缠操作离子在相邻的陷阱比捕获周期更快，实验证明激光重复率。值得注意的是，我们发现，在不增加门的持续时间，高保真门是可以实现的，即使在大型阵列与数百个离子。为了证明这个建议的有用性，我们调查这些门的应用程序的40模费米-哈伯德模型的数字模拟。这也证明了为什么连接任意离子对所需的较短的门链使这种几何形状非常适合大规模计算。
2020-07-02 quant-ph
A microfabricated surface-electrode ion trap for scalable quantum information processing
我们展示了一个新颖的几何形状，其中电极位于一个单一的平面和离子局限于此平面以上的射频保罗陷阱中的单个原子离子的限制。该器件以相对简单的制造过程实现，并且对于使用大量离子的量子态操纵和量子信息处理具有重要意义。我们限制激光冷却Mg-24离子约40微米以上的平面金电极。我们测量离子的运动频率，并将其与模拟进行比较。从测量的离子从陷阱的逃逸时间，我们还确定了约5个运动量子每毫秒的陷阱频率为5.3 MHz的加热速率。
2006-01-26 quant-ph
Versatile ytterbium ion trap experiment for operation of scalable ion trap chips with motional heating and transition frequency measurements
我们提出了一个镱离子阱实验的设计和操作与设置提供多功能的光学访问和90电互连，可以主机先进的表面和多层离子阱芯片安装在芯片载体上。我们操作了一个与该芯片载体设计兼容的宏观离子阱，并对其性能进行了测试，证明了长期频率>1 MHz，并捕获和冷却了几乎所有的稳定同位素，包括171 Yb+离子以及离子晶体。对于这个特殊的抽头，我们测量运动加热率，<n-dot>并观察<n-dot>到不同长期频率ω的1/ω ^2行为。在离子电极间距为310（10）μ m时，我们还确定了频谱噪声密度S_E（1 MHz）= 3.6（9）× 10 ^-11 V^2 m^-2 Hz^-1。本文描述了Yb ~+离子的俘获和冷却实验装置，给出了170 Yb ~+、171 Yb ~+、172 Yb ~+、174 Yb ~+和176 Yb ~+稳定同位素的2S_1/2 - 2P_1/2和2D_3/2 - 3D[3/2]_1/2跃迁的频率测量结果。
2010-12-17 quant-ph
Scalable Ion Fluorescence Collection Using a Trap-Integrated Metalens
本研究针对规模化囚禁离子量子计算机的大面积高效荧光收集需求，提出并演示了阱背集成超构透镜的单片系统，实现了与传统0.35数值孔径物镜相当的收集效率，为高保真并行读出提供了紧凑可扩展的方案。
2025-08-01 quant-ph
Cryogenic Time-Division-Multiplexed Voltage Control for Scalable Trapped-Ion Quantum Processors
QuEL, Inc.（QuEL公司）；Center for Quantum Information and Quantum Biology, The University of Osaka（大阪大学量子信息与量子生物学中心）；International Center for Elementary Particle Physics (ICEPP), The University of Tokyo（东京大学 elementary 粒子物理国际中心）；Komaba Institute for Science (KIS), The University of Tokyo（东京大学驹场理学研究所）；e-trees. Japan, Inc.（e-trees日本公司）；RIKEN Center for Quantum Computing (RQC)（理化学研究所量子计算中心）；Inamori Research Institute for Science (InaRIS)（稻盛科学研究所）
本研究开发并验证了极低温环境下基于时间分复用的电压控制方案，用于静态和动态电极，解决了真空导管瓶颈问题。
2026-05-18 quant-ph
Scalable multi-particle entanglement of trapped ions
在各种纠缠态中，“W态”扮演着重要的角色，因为它的纠缠即使在粒子丢失的情况下也是最大的持续和鲁棒的。这些态是量子信息处理和多方量子通信的核心资源。在这里，我们报告的四，五，六，七，八粒子纠缠态的W型与被困离子的可扩展性和确定性的产生。我们获得最大可能的信息，这些国家通过执行充分的表征，通过状态层析成像，使用单独的控制和检测的离子。详细的分析证明了纠缠是真实的。这种多粒子纠缠态的可用性，以及以其密度矩阵形式提供的全部信息，为多粒子纠缠的理论研究创造了一个实验平台。独立地，格林伯格-霍恩-蔡林格纠缠态与多达六个离子已创建和分析在博尔德。
2006-03-23 quant-ph
Trapped-Ion Multiqubit Gates are Compatible with Scalable Quantum Error Correction
Quantum Art Ltd（量子艺术有限公司）；Department of Physics of Complex Systems, Weizmann Institute of Science（魏茨曼科学研究所复杂物理系）
本文通过构建多量子比特门的微观噪声模型，分析噪声特性并评估基于旋转表面码的量子纠错方案的可扩展性。
2026-05-27 quant-ph
Scalable Ion Trap Quantum Computing without Moving Ions
研究了一种混合量子计算方案，其中混合量子比特由作为信息存储器的离子阱量子比特和作为量子处理器的固态电荷量子比特组成，通过超导腔连接。在本文中，我们扩展了我们以前的工作[1]，并研究了混合系统的退相干，耦合和可扩展性。本文计算了在激光辐射下，由于固体系统中电荷涨落和超导腔的耗散引起的离子-电荷耦合系统的退相干。设计了一种利用电荷量子比特的快速状态翻转来减少电荷噪声引起的退相干的门方案。我们还研究了一种超导开关，它被插入在腔和电荷量子比特之间，并提供量子比特之间的可调谐耦合。混合计划的可扩展性进行了讨论，在实现该计划的几个潜在的实验障碍。
2004-12-23 quant-ph
An all-optical ion-loading technique for scalable microtrap architectures
一种新的全光学技术加载离子阱，具有特定的应用程序的微阱架构的实验演示。该技术是基于光电离的原子束脉冲激光烧蚀的钙目标，并提供了改进的时间控制相比，传统的陷阱加载方法。到目前为止，已经观察到高达每秒125个离子的离子加载速率。还描述了陷阱加载的观察里德伯态原子的光电离的离子多普勒冷却激光。
2007-05-01 quant-ph
Low-Excitation Vertical Ion Shuttling in Scalable Multi-Rail Ion Trap Architectures
Institute of Physics, University of Sindh（信德大学物理研究所）
本文研究了优化的垂直离子穿梭协议，旨在减少离子运输过程中的动量能量增益，发现异常加热仅在穿梭时间超过500微秒时成为限制因素，通过实验验证了在500微秒内将离子垂直位移至86微米可限制动量激发至少于八量子。
2026-05-10 quant-ph
High-fidelity trapped-ion qubit operations with scalable photonic modulators
针对囚禁离子实验传统光调制器难规模化的问题，研究团队设计制备了可与表面电极离子阱单片集成的压电光机光子多级Mach-Zehnder调制器，经量子层析表征实现了超99.7%的单量子比特门保真度。
2023-08-24 quant-ph
Demonstration of three- and four-body interactions between trapped-ion spins
本研究在囚禁离子量子比特中实验实现原生的三体与四体自旋相互作用，将传统成对相互作用扩展到高阶，为量子信息处理提供新工具箱。
2022-09-13 physics.atom-ph quant-ph
Scalable arrays of RF Paul traps in degenerate Si
我们报告的多区线性RF保罗陷阱，利用退化硅的可加工性和导电性的制造技术。该方法进行了测试，通过捕获和激光冷却24 Mg+离子在两个陷阱的几何形状：一个单区两层陷阱和一个多区表面电极陷阱。根据测得的离子运动加热速率，我们确定当离子位于阱表面上方40微米处时，在1.125 MHz的频率下，离子位置处的电场谱密度约为1 E-10（V/m）^2/Hz。这些设备的一个应用是原子离子量子比特的受控操纵，这是量子信息处理的一种形式的基础。
2009-08-26 physics.ins-det quant-ph
Novel permanent magnet array geometries for scalable trapped-ion quantum computing in a laser-free entanglement architecture
University of Sussex（苏塞克斯大学）；Duke University（杜克大学）
本文提出了一种新型永磁体阵列设计，以解决可扩展囚离子量子计算系统中的特定挑战，通过优化磁体几何结构，实现离子运输和磁场梯度控制，提升可扩展性和实验设置的兼容性。
2026-04-03 quant-ph
Scalable creation of long-lived multipartite entanglement
我们展示了基于可扩展方法的多体纠缠的确定性生成。四个量子比特被编码在$^{40}$ Ca $^+$中，存储在微结构分段的保罗陷阱中。这些量子比特通过激光驱动的成对门操作顺序纠缠。在这些之间，量子位寄存器通过离子穿梭操作动态地重新配置，其中离子晶体被分离和合并，并且离子被移入和移出固定的激光相互作用区。由三个成对纠缠门组成的序列产生四离子GHZ态$\vertψ\rangle=\tfrac{1}{\sqrt{2}}\left(\vert 0000\rangle+\vert 1111\rangle\right)$，并且全量子态层析显示Bell态保真度为94.4（3）\%。我们分析了这种态的退相干，并对空间分布的组分采用动态退耦合，使其在1.1~ s的存储时间内保持69（5）%的相干性.
2017-07-12 quant-ph
Plutarch: Toward Scalable Operational Parallelism on Racetrack-Shaped Trapped-Ion Processors
Yonsei University（延世大学）；Rutgers University–New Brunswick（罗格斯大学-新不伦瑞克分校）
Plutarch通过优化区域利用、优先执行附近门和实施捷径，提升赛车形囚离子处理器的可扩展操作并行性。
2026-01-13 quant-ph
Multilayer ion trap with three-dimensional microwave circuitry for scalable quantum logic applications
我们提出了一个多层表面电极离子阱与嵌入式三维微波电路实现纠缠量子逻辑门。我们讨论的电磁全波模拟程序，导致陷阱的设计和表征所产生的微波场图案使用单个离子作为局部场探针。结果同意模拟的不确定性，与以前的陷阱相比，这种设计减少了三个数量级的有害交流塞曼位移。这里提出的设计可以被看作是一个纠缠门组件库中的表面电极离子阱旨在量子逻辑操作。
2021-07-06 physics.atom-ph quant-ph
Sideband cooling and coherent dynamics in a microchip multi-segmented ion trap
具有多个阱段的小型化离子阱阵列为可扩展的量子信息处理提供了有前途的架构。分段线性Paul阱的小型化允许将微阱划分在不同的存储和处理区中。通过外部陷阱控制电压对许多离子进行单独的位置控制-每个离子在其长寿命的电子能级中携带量子比特信息-对于下一代大规模量子算法的实现非常重要。我们提出了一种新型的可扩展的微芯片多段离子阱，其具有两个不同的相邻区域，一个用于存储，另一个专用于使用单离子和线性离子晶体处理量子信息：一对收音机-频率驱动的电极和62个独立控制的DC电极允许单个离子或线性离子晶体在轴向和径向阱频率为几MHz。利用边带光谱对<->40 Ca+离子的S1/2D 5/2窄量子比特跃迁进行了表征和优化，演示了相干单量子比特拉比旋转和光学冷却方法。我们确定加热率使用边带冷却测量振动基态，这是必要的后续两个量子比特的量子逻辑操作。证明了可扩展的量子信息处理的适用性。
2008-02-03 quant-ph
TSV-integrated Surface Electrode Ion Trap for Scalable Quantum Information Processing
在这项研究中，我们报告了第一个铜填充通过硅通孔（TSV）集成离子阱。TSV直接放置在电极下方，作为离子阱和玻璃中介层之间的垂直互连，促进了随着电极数量的增加和复杂性的演变而进行的任意几何设计。TSV的集成将离子阱的形状因子降低了80%以上，使寄生电容从32 pF降至3 pF。尽管没有接地屏蔽层，但仍实现了低RF耗散。整个制造过程是在12英寸晶圆上进行的，并与已建立的CMOS后端工艺兼容。我们证明了装载和激光冷却单88 Sr+离子的陷阱的基本功能。它被发现，这两个加热速率（17量子/毫秒的轴向频率为300 kHz）和寿命（~30分钟）是类似尺寸的陷阱相媲美。这项工作开创了TSV集成离子阱的发展，丰富了可扩展量子计算的工具箱。
2021-01-04 physics.atom-ph quant-ph
Shuttling for Scalable Trapped-Ion Quantum Computers
本文针对囚禁离子QCCD架构中的离子穿梭调度问题，提出一种启发式方法以最小化移动操作时间步长，并在小规模和大规模设备上验证了其高效性，已集成至开源MQT工具包。
2024-10-01 quant-ph
Scalable Ion Trap Architecture for Universal Quantum Computation by Collisions
我们提出了一个可扩展的离子阱结构的通用量子计算，这是由一个离子阱阵列与一个离子被限制在每个陷阱。相邻的陷阱被设计成能够合并成一个单一的陷阱。通用双量子位$\sqrt{SWAP}$门是通过两个相邻离子在合并阱中的直接碰撞来实现的，这引起了两个离子之间有效的自旋-自旋相互作用。我们发现碰撞诱导的自旋-自旋相互作用随两离子俘获距离的三次方而减小。即使在Paul阱中原子离子之间具有$200\ μm$捕获距离，仍然可以在$0.1\ kHz$机制中实现具有速度的两量子比特门操作。使用潘宁陷阱中具有$10\ mm$捕获距离的电子，速度可以进一步增加到$0.1\ MHz$状态。
2018-01-08 cond-mat.mes-hall physics.app-ph physics.atom-ph
Scalable chip-based 3D ion traps
Physikalisch-Technische Bundesanstalt（德国联邦物理技术研究院）；Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) Institut für Satellitengeodäsie und Inertialsensorik（德国航空航天中心卫星测地与惯性传感器研究所）；Naturwissenschaftlich-Technische Fakultät, Universität Siegen（锡根大学理学院）；eleQtron GmbH（eleQtron有限公司）；Institut für Quantenoptik, Leibniz Universität Hannover（汉诺威莱布尼茨大学量子光学研究所）
本文综述了芯片基三维离子阱的最新进展，包括材料选择、片上滤波组件集成和真空紧凑电连接，并基于有限元法模拟讨论了集成微光学而不干扰离子的可能性。
2026-06-23 physics.atom-ph quant-ph
Integrated Optical Approach to Trapped Ion Quantum Computation
最近的实验进展，量子信息处理与捕获的离子已经证明了大多数的基本要素，需要实现一个可扩展的量子计算机。下一组挑战在于实现大量量子位以及准备，操纵和测量它们的方法，从而导致错误保护量子位和容错架构。量子位的集成必然需要集成光学方法，因为这些操作中的大多数涉及与光子的相互作用。本文讨论了可扩展量子计算机物理实现所需的集成光学技术和具体的光学设计。
2008-12-15 quant-ph
Low-cost Ultra-low Noise DAC System-on-Module for Scalable Ion-Trap Electrode Control
Duke University（杜克大学）
本文提出了一种低成本、低噪声的DAC系统模块，用于离子阱电极控制，采用TI DAC81416和Xilinx Spartan-7 FPGA，兼顾成本与性能，适用于多种离子阱物理实验和量子计算应用。
2026-05-01 physics.ins-det quant-ph
Error-Resilient Fast Entangling Gates for Scalable Ion-Trap Quantum Processors
The Australian National University（澳大利亚国立大学）；IonQ, Inc.（IonQ公司）
本文提出改进的门搜索方案，实现链中数十离子的局部和非局部两量子比特门，通过多目标机器设计方法减少误差影响，演示在当前线性离子阱处理器中实现微秒级高保真两量子比特门的可行性。
2026-05-16 quant-ph
Demonstration of integrated microscale optics in surface-electrode ion traps
在离子阱量子信息处理中，高效的荧光收集对于快速、高保真的量子比特探测和离子-光子纠缠是至关重要的。未来多离子处理器的预期尺寸需要可扩展的光收集系统。我们报告的开发和测试的微加工表面电极离子阱与集成的高数值孔径（NA）的荧光收集的离子阱。当耦合到低NA透镜时，光学系统固有地可扩展到单个设备中的大型反射镜阵列。我们证明了稳定的捕获和运输的40 Ca+离子超过0.63 NA的量子阱，并观察到一个因素的1.9增强光子收集相比，平面区域的陷阱。
2011-10-20 quant-ph
High Fidelity Quantum Gates for Trapped Ions under Micromotion
二维或三维Paul陷阱可以限制大量的离子形成Wigner晶体，这将为可扩展的量子计算提供理想的架构，除了微动，微动被广泛认为是高保真量子门的杀手。令人惊讶的是，在这里，我们表明，微动是不是一个障碍，在所有的高保真度量子门的设计，即使微动的幅度是显着超出了兰姆-迪克条件的要求。通过精确求解量子Mathieu方程，以四极Paul阱中的两个离子为例，说明了微动条件下门的设计原理。提出的微动量子门可以推广到多离子情况，为可扩展的囚禁离子量子计算开辟了新的途径。
2014-03-29 quant-ph
Scalable surface ion trap design for magnetic quantum sensing and gradiometry
Institute of Physics, University of Sindh（信德大学物理研究所）
本文提出了一种可扩展的表面保罗陷阱设计，利用离子作为超灵敏磁场探测器，实现亚毫米空间分辨率的磁场梯度精确测量。
2026-04-23 physics.atm-clus quant-ph
Scalable Loading of a Two-Dimensional Trapped-Ion Array
我们描述了快速，随机存取加载的二维（2D）表面电极离子阱阵列的基础上，两个交叉的光电离激光束。随着使用的预冷中性原子从一个远程源的连续通量，我们实现了每个站点的单个离子的加载，同时保持长的陷阱寿命，而不会干扰相邻站点中的离子量子位的相干性。这个演示满足了加载和重新加载广泛的2D阵列所需的所有主要标准，这将是大规模量子信息处理所需的。此外，已经很高的加载速率可以通过并行加载离子来增加，仅伴随着光电离激光功率的增加，并且不需要额外的原子通量。
2015-11-10 physics.atom-ph quant-ph
High-Fidelity Preservation of Quantum Information During Trapped-Ion Transport
构建可扩展量子模拟器和计算机的一个有前途的方案是使用互连子系统合成可扩展系统。这种方法的先决条件是能够在子系统之间忠实地传递量子信息。对于被捕获的原子离子，这可以通过将具有编码到其内部状态中的量子信息的离子传输来实现。在这里，我们测量高精度的量子信息编码成超精细态的171 Yb+离子在离子传输过程中的微结构保罗陷阱的保真度。离子内部状态的Ramsey光谱与280 μ m距离上的多达4000个传输操作交错，每个传输操作需要12.8 μ s。我们得到的状态保真度为99.9994（+6/-7）每个离子传输。
2018-01-22 quant-ph
Laserless trapped-ion quantum simulations without spontaneous scattering using microtrap arrays
我们提出了一个架构和方法，大规模的量子模拟使用超精细态的捕获离子在一个任意布局的微阱阵列与激光相互作用。在每个位置处捕获离子，并且电极结构提供仅使用局部产生的微波和射频场的单个和成对演化算子的应用。在演化过程中避免短暂的原子能级有效地消除了由于自发散射引起的误差;这可能允许基于捕获离子的量子模拟器缩放到比目前估计的大得多的系统。这样的配置也可以特别适合于具有捕获离子簇状态的单向量子计算。
2008-03-13 quant-ph
Microwave control electrodes for scalable, parallel, single-qubit operations in a surface-electrode ion trap
我们提出了一个表面离子阱设计，结合微波控制电极的近场单量子比特控制。电极被布置成在一个阱区中提供微波场的任意频率、振幅和偏振控制，而类似的一组电极用于使相邻区中的残余微波场为零。选择几何形状以将残余场减少到0.5%水平而不使场归零;对于实际微波幅度和相位漂移，通过归零，串扰可以保持接近0.01%水平。使用标准的光刻和电镀技术，我们已经制作了一个证明的原则电极阵列与两个捕获区。我们讨论的微波驱动系统的要求和前景的可扩展性，一个大的二维陷阱阵列。
2013-10-14 physics.atom-ph quant-ph
Scalable suppression of heating errors in large trapped-ion quantum processors
Center on Frontiers of Computing Studies, School of Computer Science, Peking University（北京大学计算机学院前沿计算研究中心）；Key Laboratory of Atomic and Subatomic Structure and Quantum Control (Ministry of Education), Guangdong Basic Research Center of Excellence for Structure and Fundamental Interactions of Matter, School of Physics, South China Normal University（华南师范大学物理学院原子与亚原子结构及量子控制教育部重点实验室、广东省物质结构与基本相互作用卓越基础研究基地）；Guangdong Provincial Key Laboratory of Quantum Engineering and Quantum Materials, Guangdong-Hong Kong Joint Laboratory of Quantum Matter, Frontier Research Institute for Physics, South China Normal University（华南师范大学前沿物理研究院广东量子工程与量子材料重点实验室、粤港澳量子物质联合实验室）
本研究提出一种可适配多参数的框架，通过高效代价函数抑制大型囚禁离子量子处理器的加热误差，在55量子比特系统模拟中使保真度损失最多降低五倍，还提升了失谐误差容限。
2026-09-02 quant-ph
Scalable Digital Hardware for a Trapped Ion Quantum Computer
缩放量子计算机硬件的许多挑战在于量子位和用于操纵它们的经典控制信号之间的接口。模块化离子阱量子计算机架构通过构建经由量子通信信道网络互连的各个量子处理器来解决可扩展性。这种量子硬件的成功操作需要完全可编程的经典控制系统，该控制系统能够对捕获和冷却离子量子位所需的连续波激光器进行频率稳定，稳定用于驱动离子量子位上的逻辑门操作的光学频率梳，提供大量模拟电压源来驱动捕获电极，以及用于在操纵量子位的所有控制器之间保持相位相干性的方案。在这项工作中，我们描述了这些硬件开发的挑战可扩展的解决方案。
2015-09-23 physics.atom-ph physics.optics quant-ph
Implementation of a scalable universal two-qubit quantum processor with electron and nuclear spins in a trapped ion
本文提出利用离子内部能级和电子/核自旋实现可扩展 n 离子-2n 量子比特处理器，并在单离子系统上验证通用门与 Grover 算法，为大幅扩展量子计算 Hilbert 空间提供新路径。
2024-07-01 quant-ph
Scalable arrays of micro-Penning traps for quantum computing and simulation
我们建议使用二维潘宁陷阱阵列作为一个可扩展的平台，量子模拟和量子计算与捕获的原子离子。该方法涉及将限定静电四极位置的微结构电极阵列放置在磁场中，其中单个离子被捕获在每个位置处并经由库仑相互作用耦合到相邻位置。我们解决了在这样的阵列中的离子运动的正常模式，并推导出一个广义的多离子稳定运动的不变性定理，即使在存在陷阱的缺陷。我们利用这些技术研究了在固定离子晶格中进行量子模拟和量子计算的可行性。在均匀的阵列，我们表明，足够密集的阵列是可以实现的，轴向，磁控管和回旋运动表现出离子间偶极耦合率显着高于预期的退相干。在外加激光场的情况下，可以实现可调范围的相互作用自旋哈密顿量。我们还展示了如何本地控制电位允许隔离的离子在一个固定的阵列中的少数，并可用于实现高保真度门。静态捕获场的使用意味着我们的方法不受系统尺寸增加时的功率要求的限制，从而消除了标准射频陷阱中存在的缩放的主要挑战。因此，这里提供的架构和方法似乎为捕获离子量子计算打开了一条通往容错规模设备的道路。
2020-04-02 physics.atom-ph quant-ph
3D-Printed Micro Ion Trap Technology for Scalable Quantum Information Processing
针对光刻技术难以制造复杂三维离子阱电极的问题，研究采用双光子聚合高分辨率3D打印技术制备微型3D离子阱，兼具传统阱的性能与光刻的小型化优势，仅多普勒冷却即可实现光量子比特高保真相干操作，提升设计自由度且不牺牲可扩展性与精度。
2023-10-05 physics.atom-ph quant-ph
Efficient Collection of Single Photons Emitted from a Trapped Ion into a Single Mode Fiber for Scalable Quantum Information Processing
两个离子发射的两个光子的干涉和符合探测可以导致纠缠态，这是可扩展的量子信息处理的关键资源。目前，该协议的实验实现的成功概率主要受限于由离子发射的光子到单模光纤中的低耦合效率。在这里，我们考虑两种策略，以提高收集概率的光子发射的被困Yb离子，使用分析方法，可以很容易地应用到其他类型的离子或中性原子。我们的分析表明，我们可以实现超过30%的光纤耦合效率与一个平坦的光纤尖端和一个球面镜的光学腔。我们还研究了使用高数值孔径光学器件提高光纤耦合效率的方法，并表明通过适当控制像差，收集概率超过15%是可能的。
2011-09-11 physics.atom-ph quant-ph
Scalable improvement of the generalized Toffoli gate realization using trapped-ion-based qutrits
该研究利用囚禁离子 qutrit 实现可扩展的广义 Toffoli 门改进，通过辅助能级全局控制简化实现，并在 Grover 搜索中提升算法精度。
2025-04-29 quant-ph
Blueprint for a microwave trapped-ion quantum computer
通用量子计算机的可用性将对大量研究领域和整个社会产生根本性影响。越来越多的科学和工业界正在努力实现这样的装置。任意大的量子计算机最好使用模块化方法构建。我们提出了一个基于捕获离子的可扩展量子计算机模块的蓝图，它使得创建一个基于长波长辐射的可扩展量子计算机架构成为可能量子门。这些模块作为独立单元控制所有操作，使用硅微制造技术建造，并且它们在当前技术的范围内。为了执行所需的量子计算，这些模块利用基于长波长辐射的量子门技术。为了将这种微波量子计算机架构扩展到任意大小，我们提出了一种完全可扩展的设计，该设计利用不同模块之间的离子传输，从而允许连接任意多个模块以构建大规模设备。一个高错误阈值的表面错误校正代码可以实现在所提出的架构执行容错操作。只需进行微小的调整，所提出的模块也适用于替代的捕获离子量子计算机架构，例如使用光子互连的方案。
2016-06-24 quant-ph
