2026年7月2日——带单个电荷的原子（即离子）已成功被用作量子计算机和量子传感器中的量子比特一段时间。与早期体积庞大的离子阱不同，如今已有微型芯片，离子可以被捕获并在距离芯片表面仅毫厘之遥的位置进行操作。这有许多优势，但也存在一个决定性的缺点：来自芯片本身的嘈杂电磁场会严重损害离子敏感的量子态，进而影响计算机或传感器的性能。

由苏黎世联邦理工学院量子电子学研究所教授乔纳森·霍姆领导的研究团队，现已开发出一种技术，使他们能够绘制出非常靠近芯片表面的电磁场精确三维图谱。未来，通过这种方式，可以更好地优化芯片生产所用的材料，并测试其是否适用于量子应用。他们的研究成果最近发表在科学期刊《科学进展》上。

在三维空间中任意移动

“两年前，我们开发了一种新型芯片阱，可以任意地在三维空间中移动离子”，博士生托比亚斯·赛格瑟解释道。与通过射频范围内的振荡电场捕获带电原子的传统陷阱不同，苏黎世联邦理工学院的研究人员使用了一种所谓的彭宁阱，它基于静电场和静磁场的组合。

“这有两个显著的优势”，同样是霍姆团队博士生的什雷扬斯·贾因表示：“一方面，这使我们能够在三维空间中定位离子，这在射频阱中是无法实现的。另一方面，阱内没有振荡电场，使得检测芯片上微小的振荡场变得更容易。”

测量非常微小的振荡电场的工作原理如下：首先，研究人员使用激光束将一个被捕获的铍离子冷却到它在阱中达到最低的量子力学振荡状态——换句话说，它基本上处于静止状态。然后，他们改变阱电极上的电压，使离子移动到芯片上方的目标点。“在此过程中，我们可以将距离芯片的高度在50微米到450微米之间变化，并扫描一个200微米乘200微米的区域”，赛格瑟说。

通过离子振荡进行精确场测量

一旦到达最终位置，研究人员就需要等待。芯片上的振荡电场会不断冲击离子，使其在阱中越来越强烈地来回振荡。这意味着它的量子力学振荡状态发生了改变，研究人员可以在等待一段时间后，使用额外的激光脉冲来测量这种变化。根据这种变化，他们可以计算出干扰电场的强度。

“通过这种方式，我们创下了芯片阱中振荡电场最灵敏测量的新纪录”，赛格瑟说。在一秒钟的测量时间内，他和同事们能够检测到振幅仅为每米10纳伏的振荡电场。作为对比，即使距离数公里远，手机的电磁场强度仍然要比这强一万倍。

确定材料特性的新工具

“三十多年来，研究人员一直试图找出芯片附近电场噪声的来源”，霍姆说。他的新方法现在可以高精度地以三维空间分辨率测量这些场，并将结果与模型计算结果进行比较。这使得人们能够区分不同的可能干扰源。此外，彭宁阱可以暂时与所有外部电压源完全断开，从而排除环境中不良影响的可能性。“到目前为止，人们必须对这些影响做出某些假设，却不知道这些假设是否正确”，霍姆解释道。

展望未来，霍姆将这种新方法视为表征材料的一种额外工具。例如，可以利用离子来扫描芯片上具有不同表面材料的不同区域，以确定哪种材料产生的电场最小。芯片的制造工艺也可以借此得到优化。