离子阱量子计算机的可扩展性

我的理解是，在离子阱量子计算机中将离子保持在适当位置所需的磁场非常复杂，因此，目前只能使用一维计算机，因此降低了量子位之间的通信难度。在此预印本中似乎确实存在使用Paul陷阱的2维系统的主张，但我似乎无法发现这是否已经过测试。

离子阱量子计算机的可扩展性是否仅依赖于此（离子是否可以以直线以外的其他方式排列）还是需要其他因素？如果是前者，已经取得了什么进展？如果是后者，还有哪些其他因素呢？

离子阱量子计算机使用电场而非磁场将离子保持在空旷的空间中。使用静态场（Earnshaw定理）是不可能的，因此要使用交变场。效果是带电粒子（例如离子）寻求最小的电场。这种类型的离子阱也称为四极阱，因为空间最小的最简单（最低阶）场是四极场。布置将离子限制在一个点或一条线上的场很简单，而离子阱量子计算机则使用后者。但这并不能缩放，因为计算涉及离子的运动模式，当存在更多离子时，离子的运动模式将变得更加难以区分。

有两种方法可以使此方法可扩展：使用光（光子）或通过将离子从一个穿梭到另一个（例如线性离子阱部分）来耦合离子串。使用光子特别困难，并且对于满足错误校正阈值的量子计算机而言，目前远非可行，因此，让我们集中讨论穿梭离子。

从数学上讲，真正的四极阱不能被构造为具有相交点，但这并不能阻止物理学家反正要使它们相交。诀窍在于，尽管不能将四极场布置在交叉点的中心，但仍然可以约束。通过使用静态场将离子稍微驱动到约束（交替）场中，可以得到足够强的约束。甚至已经表明，在不显着加热离子（改变其运动状态）的情况下，这种穿过交叉点的穿梭是可能的。

通过这种相交，离子阱是可扩展的。

您可能想查看一下Schaetz等人的《 2012年物理学进展报告》，“ 带有捕获离子的多体物理学的实验量子模拟 ”（语义学者的替代链接）。总而言之：是的，离子的排列是可扩展性的一个关键限制，但不是，当前配置不限于原子的单个行。在那张纸上，检查图3中在线性RF陷阱的共同限制电位中的激光冷却离子的实验荧光图像，包括单个离子，单个线，锯齿链和三维结构。

从上面Schaetz等人在论文中的图3可以得出：“ 可以在一维，二维和三维晶体之间引发结构相变，例如，通过减小径向捕获频率与轴向捕获频率的比率。 ”评论文件应该存在，但这是我发现令人满意的第一篇。可以肯定的是，当前的结果更多是关于直接模拟而不是通用计算，例如同一篇文章中的图13：“ 在结构上从离子线性链到锯齿形结构的相变过程中，非绝热地更改实验参数，其顺序为晶体在区域内破裂，并由受拓扑保护的缺陷构成，这些缺陷适合模拟孤子。 ”

在同一主题上，以及从2012年开始，另一篇值得一试的论文将是具有数百个自旋的俘获离子量子模拟器中的工程二维Ising相互作用（arXiv版）（自然版）。您的实验图片如图1所示；实际上，这不是通用量子计算，而是量子模拟的专门应用，但它无疑是在2-D阱中将离子保持在适当位置的实验性进展，而不是Paul阱。从而向可扩展性发展。

我本人不是陷阱专家，但这就是我在最近（2017年）会议上关于可伸缩性的知识：

• 实验者利用准晶体（链，梯子，色带等）和奇特的尖端（例如在单个原子中完成的色带或梯子）的中心区域来发挥潜力并实现有趣的组合。
• $s^1$$^+$$^+$$^{14}$$^2$
• 集体振动被用作量子位通信的基础。如前所述，呼吸模式是唯一稳定的，因此使用方便，但是其他振动也是可以访问的，并且将允许使用更有趣的量子位通信方案。

虽然我不是实验主义者，并且没有深入研究这些系统，但是我的（粗略的）理解是：

在离子阱中，您（或多或少）必须将离子捕获在管线中。但是，这在通信的便捷性方面没有限制，因为您可能正在考虑的是，当线性系统具有最近的邻居交互时，即每个量子位只能与其直接邻居交互。在离子阱中，这并不是真的，因为您可以访问所有离子的通用振动模式，以使任意对直接相互作用。所以实际上，那真的很好。

问题是可以存储的位数。放入陷阱中的原子越多，它们的能级越接近，并且它们变得越难单独寻址以控制它们并实现门。这往往会限制您在单个陷印区域中拥有的qubit数量。为了解决这个问题（并增加了并行性，这是纠错所必需的），人们希望使多个不同的俘获区域相互作用，要么与飞行的量子位相互作用，要么使原子在不同的俘获区域之间穿梭。第二种方法似乎正在进行中。这是理论上的建议，但是我当然可以看到证明基本组成部分的论文。