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日期：2026/4/16
来源：Unitary Quantum
中国科学技术大学郭光灿院士团队崔金明、黄运锋、李传锋等人在离子阱量子计算的纠缠门操控上取得重要进展。他们提出并实验验证了一种利用光镊的偏振梯度实现多离子纠缠门的创新方案，成功在多离子链中实现了高保真度的莫尔默-索伦森纠缠门。
该工作以《Transverse Polarization Gradient Entangling Gates for Trapped-Ion Quantum Computation》为题，于2025年12月24日发表于国际著名物理学术期刊《Physical Review Letters》，并被选为“编辑推荐”（Editors’ Suggestion）。
论文作者李传锋、黄运锋、崔金明、贺冉为合肥幺正量子科技有限公司的创始团队成员。
这项研究为解决离子阱量子计算规模化进程中的一个关键挑战——如何在大规模离子阵列中同时实现离子独立寻址（IA）和任意两比特高保真度纠缠门这两种核心操控能力——提供了一条原理新颖且与光镊架构高度兼容的技术路径，不仅在原理上突破了此前方案的不足，还大大简化了寻址光路的复杂度，对于离子阱量子计算的规模化具有重要意义。
研究背景
离子阱系统因其长相干时间、高保真度门操作及全连接特性，是构建通用容错量子计算机的有力候选平台之一。离子数量和离子操控的扩展是十分关键的。伴随离子数量增加，传统纠缠门方案的局限性日益凸显：
（1） 声子模式复杂度激增
离子间的集体运动模式是实现离子纠缠的媒介。在离子晶体规模增加到数十上百之后，运动模式变得越来越密集，使得高保真度纠缠门的实现变得极为困难。离子之间的相互作用就像人群在说话：数量少时大家还能听清指令，当离子数量扩展到上千时，各种振动模式就像上千人同时讲话，互相干扰，科学家无法精准挑选出需要的那个想要的“声音”（模式拥挤）。
（2） 光学寻址挑战
对于Yb（镱）离子等常用离子比特，激光寻址操控需要两束具有一定夹角的激光同时聚焦到离子上，才能够提供足够的“自旋依赖力”实现纠缠。在低串扰的光学配置中，甚至要求两束光都是可寻址的激光。这就像在一个漆黑的体育场里，用两台从看台两侧射出的极细激光束同时打中场地中央的一个足球，难度非常大。
（3） 载波激发误差限制
传统方案中，非共振的载波激发成为限制门操作速度和纠缠保真度的重要因素。此前通过驻波方式可以实现载波激发的抑制，但驻波难以实现离子寻址。如果能在寻址操作的同时抑制载波激发，就能有效降低纠缠门的误差来源。
技术创新
针对上述瓶颈，本研究创新地采用了一种基于单侧光镊的纠缠门方案。
本方案摒弃了依赖激光波矢（k）进行自旋-运动耦合的传统思路，开创性地利用单侧紧聚焦激光束（光镊）自身产生的偏振梯度场来构造等效耦合，最终在离子间建立起量子纠缠。
该机制在原理上类似于流体中的马格努斯效应 (Magnus effect)：具有自旋的离子在聚焦的光流（光镊）中会受到横向（垂直于光传播方向）的力，力的方向取决于离子自旋方向。足球中的“香蕉球”和乒乓球中的“弧圈球”就是因为流体中的马格努斯效应。
这一方法实现了单侧拉曼激光独立寻址和可编程光镊阵列的结合，利用离子晶体轴向运动模式实现了载波激发抑制的高保真度两比特门，同时还大大简化了光学装置的复杂度。
光偏振梯度离子纠缠门示意图
方案优势
本方案主要优势体现在以下四个方面：
（1）采用更为友好的纵向运动模式
此前，离子寻址要求激光光束垂直于离子晶体，这导致只能使用离子的横向运动模式作为纠缠媒介。而横向运动模式非常密集，不利于调控。相反，纵向模式具有天然的分离特性，间距稀疏且模式规则，但因其与寻址激光方向垂直而无法被利用。
本工作利用了强聚焦光束的横向偏振梯度，在垂直激光的方向产生了梯度力，能够有效激发纵向运动模式，实现任意两离子的纠缠门。这种操控为系统的离子数扩展解决了模式拥挤的障碍。
（2）只需要单侧激光寻址
此前的拉曼光需要两束激光从相对方向照射到离子上，其波矢差异可以与离子形成相互作用。但两侧光路的完全重合对激光光路的对称性和稳定性提出了严格的要求。
本研究所用方案只需要一侧寻址激光，不需要两侧激光对准，大大降低了实现任意离子纠缠门的复杂度。如果说以前的对向拉曼操作方法是两只手一边拿着一根筷子相对着去夹弹珠，现在的方法就是一只手拿一双筷子去夹弹珠，可以做到又快又准，灵活通用。
图片来源：AI生成
（3）显著抑制载波驱动引起的纠缠门误差
本方案能够有效抑制由载波驱动引入的门误差，该误差在理论上是光寻址纠缠门的主导误差来源之一。通过该抑制机制，纠缠门的理论保真度上限可由 99.9% 提升至 99.99%。在当前实验条件下，限制门保真度的主要因素为寻址光斑的空间位置抖动与长期漂移，而这些因素可通过进一步优化光学系统设计大大缓解。
（4）与光镊门架构的高度兼容性
在离子阱系统中电场形成的势阱作用范围较大，通常达到10-100微米。可编程光镊阵列可以实现1微米尺度的局域化势场，这为离子晶体的精准操控提供了一个全新的控制能力。可编程光镊阵列可以在离子晶体中任意挑选出2个离子，并将其运动模式与背景模式隔离出来以实现量子门操作。这种局域化控制的能力为大规模离子阱量子操控提供了全新的编程工具。
实验结论
实验在一个高通光离子阱中的4个1?1Yb?离子链上进行。采用532 nm双色拉曼光，垂直离子链方向寻址各个离子，激光束耦合轴向声子模式（COM频率287 kHz）。在系统一侧，采用一个二维声光偏转器（AOD），用于生成并动态操控多个紧聚焦光斑，实现纳米级精度（<100 nm）的单独寻址。
整个光学配置仅需单束激光与一个NA0.4的物镜，结构大为简化。通过EIT冷却将轴向模式冷却至平均声子数<1，并实现了>99.3%的SPAM保真度。基于莫尔默-索伦森纠缠门方案，团队在2离子链中实现了98.7%的贝尔态保真度，在4离子链中的任意2离子纠缠保真度也超过了97.2%。研究团队还对门操作的误差来源进行了系统性的分析，提出了进一步提升门速度和保真度的可靠途径。
论文审稿人一致给予该工作高度评价：
“该论文展示了光镊与线性离子链的成功结合，提出了一种巧妙而强大的机制，通过它可以在任意离子对之间实现两比特门操作……”
“首次实现这一类型量子门的结果令人鼓舞，该方法解决了离子阱量子计算规模化中的一个重要挑战……”
本研究工作建立在团队多年创新性研究和自主研发的基础上，包括自主研制的高通光离子阱系统[Rev. Sci. Instrum. 92, 073201, 2021]、远失谐拉曼操作激光系统[Opt. Express 30, 30098 (2022)]，创新性地提出的动态光镊组与离子阱同步消除离子微运动的光电混合离子阱[Phys. Rev. Appl. 23, 054044 (2025)]，以及实现国际先进光学低串扰寻址操控指标[Phys. Rev. Appl. 22, 054003, (2024) Editor suggestion]。
论文的共同第一作者为中国科学技术大学副研究员崔金明和博士后陈炎。本研究得到了合肥国家实验室、国家自然科学基金委以及中国科学技术大学的大力支持。
论文链接：
https://doi.org/10.1103/w5l6-wmrl
