近日，我校副校长，民盟贵州大学委员会副主委、秘书长王旭带领团队联合南方科技大学量子科学与工程研究院助理研究员王钊以“Cooperative engineering the multiple radio-frequency fields to reduce the X-Junction barrier for ion trap chips”为题在Chip上发表研究论文，报道了利用多射频场协同优化离子阱芯片结电极附近的囚禁势场分布，以降低囚禁势垒和反常声子加热的方法。第一作者为刘亚瑞、共同第一作者王钊，通讯作者为王钊、王旭。
离子阱量子比特以其长相干时间、高保真度的量子态制备与操控、全连通性等特点成为量子计算领域中非常有希望实现高保真度可扩展的物理体系，并在实验中已经演示了量子纠错的基本原理。目前研究的热点在于解决系统的扩展性问题。基于量子电荷耦合器件（Quantum Charge-coupled Device，QCCD）架构的离子阱芯片通过扩展一维离子量子比特至二维、划分不同功能区实现量子逻辑操作，可以有效提高离子量子比特数量并保持比特的高保真度，结合微加工技术，有效降低了控制电极的尺寸，提高了系统的一致性。
然而，QCCD架构下的离子阱芯片，需要离子在不同功能区域之间进行穿梭输运。输运过程中电场噪声会对离子携带的声子量子比特进行加热、破坏声子态信息，而输运时间可占量子算法运行总时间的60%以上。因此，如何降低离子的声子加热率、缩短输运时间就成为QCCD架构中待解决的重要问题。另一方面，QCCD构架下离子的运动被扩展至二维平面，不可避免的会出现转弯、直行等不同种类的输运方式，也需要不同形状的电极。以往的研究中，结附近囚禁势场的连通性、结势垒高度的优化，均通过RF电极几何形状的改变实现，但优化后的囚禁电场，由于需要在多个方向具有对称性，因而也降低了中心附近的势阱深度和囚禁频率，从而容易引起离子丢失、以及混合离子种类的输运分离效应等问题。同时，对电极几何形状进行优化，需要对不同形状的电极重新计算其产生的电场，时间复杂度开销很高。此外，电极形状在加工后即被固定，便无法对抗加工过程中的偏差，也无法满足需要随时间变化的囚禁势场的产生。
本文提出的多射频场协同优化离子囚禁势场方法，通过将原有单一的RF囚禁电极分割为多个独立子电极，并在每个子电极上施加幅度可调的同频独立RF电压，通过改变加载RF电压的幅度分布，引起结附近囚禁电场的实时改变，实现结势垒的优化与降低。文章以X形结为例，对提出方法进行了模拟与验证。模拟结果表明，经过RF电压幅度分布优化的囚禁势垒（图1b黄色与灰色实线）比未优化电压分布前，使用相同电极产生的囚禁势垒（图1b蓝色实线）降低了4倍以上。
图1 | a, RF电极的分割；b, RF电压分布优化前后的势垒高度
在此基础上，文章还研究了结合电极图形优化与RF电压分布幅度优化的混合优化方法，分别针对转弯与直线输运过结两种情况，对结中心附近的4个RF电极形状进行了优化，并进一步应用多RF电压幅度优化方法。结果表明，单独使用RF电极图形优化（通过增加「手指」图形、增加「劈形」电极）与RF电压分布优化两种方法分别对结势垒优化，优化后的势垒高度相差不大，而混合应用两种方法对转弯、直线（图2）输运势垒进行优化，结果相比单独利用其中任何一种方法更低（图3a中黄色实线、图4a中灰色实线）。图3与图4分别绘制了优化后的转弯与直线输运情形下赝势管道的三维分布。
图2 | RF电极图形与RF电压分布混合优化时，分别优化转弯（a）与直行（b）两种情况下的电极图形与电压分布
图3 | 针对转弯情况输运进行图形与电压分布混合优化前后的囚禁赝势分布
图4 | 针对直线输运情形进行图形与电压分布混合优化前后的囚禁赝势分布
最后，文章讨论了多RF场方法应用时所需的电压切换协议与RF独立通道数的问题，讨论了应用于多个结电极时的可行性。起终点不同的离子输运有多种可能路径，但均可归纳为转弯与直线两种输运类型，仅需针对转弯与直线输运分别进行一次电压分布的优化，再根据起终点位置在正确方向施加已优化的RF电压分布，即可实现各个方向的离子输运。文章研究的多RF场优化方法是对RF电极产生的囚禁赝势为零的输运路径（赝势管道形状）进行控制、施加的RF电压为静态；而驱动离子输运所需的电压为DC电极产生的含时变化的DC电压，二者作用效果不同、相互独立，因此离子输运所需的DC电压波形设计可直接沿用以往方法。此外，优化RF电压分布时增加了电压对称性分布的约束，因此在单个结内仅需4个独立控制的射频通道（图5）。因此文章提出的多RF场结电极设计与控制方法可同时应用于多个结电极，具有良好的可扩展性，是QCCD架构下的离子阱芯片中离子输运的重要实现手段。
图5 ｜ 应用多RF场方法对RF电压分布进行优化后，转弯（a）与直行（b）所需的RF独立信道数。每种情况均只需4个独立RF信号
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