近日，深圳国际量子研究院路尧副研究员、张君华副研究员团队在离子阱量子计算领域取得重要研究进展。团队首次构建了基于结构光场寻址的离子阱量子处理器，并在该平台上首次实现了可扩展的纠缠门方案。该成果有效缓解了离子阱量子处理器向长链扩展过程中面临的关键挑战——运动模式拥挤问题，为实现百比特规模长链离子量子处理器提供了切实可行的技术路径。依托该方案，研究团队在两离子至六离子链体系中开展实验验证，展示了贝尔态制备保真度的稳定保持，验证了该方法在系统规模扩展过程中的可靠性。相关成果以“Scalable entangling gates on ion qubits via structured light addressing”为题，于4月1日在线发表。

在实用化量子计算的发展进程中，离子阱平台凭借门操作保真度高、相干时间长以及比特间天然全连接等优势，被认为是实现大规模容错量子计算的有力候选体系。其中，基于一维离子长链的扩展架构能够支持量子比特数量的高效扩展，是构建规模化离子阱量子处理器的重要技术路径。

然而，随着离子数目的增加，长链处理器在纠缠门性能方面面临关键瓶颈，其核心问题在于径向运动模式的频率拥挤。在离子阱系统中，量子比特间的纠缠依赖于离子晶体的集体运动模式作为媒介。随着体系规模扩大，运动模式频谱迅速变得密集，纠缠过程中不可避免地同时耦合多个模式，使得门操作结束时实现各运动模式的完全解耦变得异常困难，从而显著增加纠缠门误差。此外，受限于单离子寻址光路的实现方式，传统方案通常只能利用频谱更为密集的径向模式作为纠缠媒介，进一步加剧了可扩展性挑战。

相较之下，频谱分布更为稀疏的轴向运动模式为突破上述瓶颈提供了新的思路。针对传统寻址方式难以有效耦合轴向模式的问题，研究团队开发了一套基于厄米—高斯结构光场寻址的离子链量子处理器。通过利用光场横向电场梯度，该系统能够选择性地将特定离子量子比特耦合至指定的轴向运动模式。结合轴向运动频谱稀疏的特点，该方案可有效隔离出单个或少数运动模式作为纠缠媒介，从而显著缓解长链系统中的运动模式频率拥挤问题。

在这一新型离子阱量子处理器上，研究团队实验演示了基于厄米—高斯结构光场的离子比特相干操控以及两比特纠缠门操作。在两离子至六离子链体系中，基于该纠缠门实现的贝尔态制备保真度稳定保持在约0.97，其残余误差主要来源于可通过系统性优化进一步抑制的技术噪声。值得一提的是，通过将离子分别对准光场电场振幅与电场梯度的极大值位置，该寻址方案能够支持完备的通用量子逻辑门操作。

进一步的理论分析与数值模拟表明，随着量子比特数目的增加，轴向运动模式始终保持频谱稀疏的显著优势。即使在百离子规模下，纠缠操作仍可通过仅耦合少数运动模式，并结合相对简单的脉冲调制，实现任意离子对之间的高保真纠缠。

该研究提出的操控方案在保证纠缠门可扩展性的同时，有效降低了系统控制复杂度与工程实现难度，显著简化了中等规模离子阱量子计算系统的构建路径，并兼容量子电荷耦合器件（QCCD）等架构扩展，有望降低离子输运开销，为实现实用化大规模量子处理器提供了重要支撑。