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无线电频率的使用对扩展提出了几个挑战
由于高保真量子门和长相干时间，射频阱中的捕获离子是实现量子计算机的主要方法之一。然而，无线电频率的使用对扩展提出了几个挑战，包括要求芯片与高压兼容，管理功耗以及限制离子的传输和放置。在这里，我们实现了一个微型制造的Penning离子阱，通过用3t磁场代替射频场来消除这些限制。在这种情况下，我们展示了离子的完全量子控制，以及在芯片上方的捕获平面上任意传输离子的能力。Penning微阱方法的这一独特之处开启了量子电荷耦合器件架构的修改，提高了连接性和灵活性，促进了大规模捕获离子量子计算、量子模拟和量子传感的实现。
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Penning陷阱捕获单个离子
在这项研究中，我们通过在低温微制造的表面电极Penning陷阱中捕获单个离子，展示了这种阵列的基本构建块。我们演示了其自旋和运动自由度的量子控制，并测量了比任何同等尺寸的射频阱更低的加热速率。我们使用该系统演示了离子在电极平面上的柔性二维输运，运动态的加热可以忽略不计。这为基于Penning离子阱QCCD架构的缩放提供了一个关键因素。
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这项工作标志着微尺度Penning阱二维阵列量子计算和模拟的起点。
下一个主要步骤是使用这种阵列的多个位置，这将需要优化负载，同时保持离子被困在浅电位中。这可以在适当布线的电流陷阱中实现，但使用带有加载区域的陷阱并将离子穿梭到微陷阱区域可以获得显着的优势。然后，可以按照rf陷阱中演示的标准方法实现多量子位门。增加自旋相干时间可以通过改善磁体的机械稳定性来实现，或者从长远来看，可以通过使用无退相干的子空间来实现，这在最初的QCCD提案中被考虑过。为了扩展到大量站点，可能需要可扩展的光传输方法，这可能需要切换到更适合集成光学的离子种类。与rf陷阱相比，由于缺乏高压rf信号，因此易于使用先进的标准制造方法，如cmos。与这些技术的兼容性要求对量子计算中离子表面的操作距离进行评估，并需要对加热进行深入研究——显然下一步是对电场噪声作为离子电极距离的函数进行采样。
与rf陷阱不同的是，在任何Penning陷阱中，电场噪声的3D扫描都是可能的，因为限制在均匀磁场中的灵活性。这种离子放置的灵活性在离子阱物理学的许多领域具有优势，例如，在光学腔的反节点中放置离子，或从感兴趣的表面取样场噪声。
因此，我们期望我们的工作将在传感、计算、模拟和网络方面开辟以前未知的途径，使离子阱物理学突破目前的限制。
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