Ion Trap

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注：引用的网址很随意不一定是原始论文，选的是我好找的，打开速度快的，内容还可以的。每个列表都不完整省去了最后一句话：待补充。

Why（为什么研究，因为

几个计算复杂度大大优于目前经典算法的量子算法被发现。以Shor算法为例：

可能解决指数复杂度的量子多体模拟问题。以Ising模型为例：

可能解决发热与能耗问题的量子可逆计算。关键词：信息熵，热力学第二定律

解线性方程组类：

理论计算机界研究得比较多的：

参考：

What（什么是

量子计算机

量子比特：

量子门：

量子电路：

参考：

离子阱

参考：

Who（这些喵在玩

离子阱喵：

超导喵：

How（不知道

预备知识：

实验综述：

load and trap with lasers Yb energy levels

@Chew08

代码/设计：

真空系统：

宏观阱设计：

芯片阱设计：

光学系统：

控制电路：

软件：

谈谈我个人的理解，离子阱研究的中心问题是用激光或微波实现对离子的相干操控，从而实现量子态的制备、探测，量子逻辑门，以及哈密顿量的量子演化模拟。其他的问题都是为这个中心问题服务衍生而出，包括如下几部分：

一、研究如何实现多离子的稳定囚禁。可以从最简单的简谐势场的多体问题出发，逐步实现囚禁电磁场下多离子运动行为的分子动力学模拟。然后根据电极边界条件计算出阱内的完整电磁场，通过模拟估算出阱加热率与电极几何参数、表面粗糙度以及环境电磁噪声之间的关系。最后通过最优化算法找到合适的物理参数并设计、加工出一批高性能的离子阱，从而构建出能够用于量子实验的囚禁多离子系统。

子技术问题：真空背景碰撞率的估算，超高真空的制备与测量，阱加热率的估算与改进，阱深度与透光度的平衡，直流、交流电极高压放大、控制电路等。

二、研究如何实现多离子的量子操控，包括测量、冷却以及各种态制备。

1.测量方面可以研究高数值孔径物镜或真空内光学微腔等方案对于整体荧光收集效率的提升，从而实现更高的整体量子探测效率。或者尝试实现多离子荧光独立探测，比较多通道PMT与EMCCD这两种成像方案在不同条件下的适用性。

子技术问题：高收集效率光学系统的设计；离子阱与光学微腔的耦合等。

2.冷却方面（无论是将囚禁离子系统用于量子计算、量子模拟或是量子精密测量，基态冷却特别是多离子的基态冷却都是其中尤为重要的一步。用于多比特CNOT量子门实现的Cirac-Zoller方案就要求将所有离子同时冷却到量子基态，后来虽然出现了对声子数不太敏感的Molmer-Sorensen方案，不再需要完美的基态冷却，但是其操作的保真度仍然与基态冷却的效果直接相关。而完成一个具有实用意义的量子计算过程往往需要几万个甚至是上亿个量子逻辑门操作，为了实现实际应用可接受的量子门操作，提高系统的容错率，良好的基态冷却实验技术是必不可少的）可以尝试在简单的四极阱中实现对单个离子三维运动边带的同时基态冷却，并研究比较各种实验参数例如激光频率、入射方向等，对于最终冷却效果的影响。接下来在新设计的分段式刀片非谐阱中再尝试实现对两到四个离子的一个到多个运动边带的基态冷却，并在此过程中研究比较各种基态冷却方案，包括连续边带冷却、脉冲式边带冷却、EIT冷却与离子晶体相变冷却等。

子技术问题：Doppler冷却效率的提升；连续激光与脉冲激光的频率、功率稳定，调研并比较原子吸收方案、超稳腔方案等稳频方案，了解或者实现PDH锁频电路、PID反馈电路等；时序控制电路等。

3.在此基础上，可以尝试实现相干态、压缩态、薛定谔猫态等常用量子态的制备与测量，然后尝试各种多离子独立寻址的实验方案，争取最终在系统上实现多量子比特纠缠态的制备与测量。

子技术问题：多通道任意波形调制技术；基于EOD或者多通道AOM的多离子操控；新型量子逻辑门的设计方案等。

三、研究基于囚禁多离子系统的各种量子应用。包括如何演示运行一些简单的量子算法实验，用于测试实验系统的性能。然后与国内外的理论组合作，尝试将某些经典计算复杂度高的理论模型或问题移植到实验系统上，用量子计算、量子模拟的方法去实现它。精密测量方面则可以从提高系统的相干时间入手，实现高精度的离子光钟，并尝试研制可用于测量微弱磁场的量子磁力计，以及用于精密惯性导航的量子陀螺仪等。