2026年10月14日——有些量子系统极其复杂，即使最强大的超级计算机也难以模拟其行为。一种解决方案是量子模拟：在实验室中构建一个可控量子系统，并调节它以模仿研究人员想要理解的那个系统。在囚禁离子模拟器中，一排单个带电原子，即离子，由电场固定在称为离子阱的装置内。激光用于使离子以模拟量子系统的方式相互作用，随后研究人员测量编码在离子中的信息，以揭示该系统的性质。

莱斯大学的Guido Pagano与杜克大学和Translume Inc.的合作者一起，开发了一种新型囚禁离子模拟器，称为单片分段式三维离子阱。这种离子阱使团队能够使用镱等重离子研究这些复杂系统。这项研究最近发表在Physical Review Applied上。

“囚禁离子模拟器可以帮助我们理解复杂问题，比如光合作用中的电荷转移，”Pagano说，他是物理学和天文学副教授，也是这项研究的资深作者。“借助这种新型离子阱，我们结合了先前版本的一些最佳特性，同时克服了将这些特性集成到紧凑型微加工单片架构中所固有的工程挑战。”

使用射频电压的离子阱通常分为两类：刀片式离子阱和微加工芯片离子阱。刀片式离子阱性能高，但几何精度有限，且由于是手工组装，难以复制。微加工芯片离子阱通常是二维离子阱，几何精度更高、高度模块化且易于复制。然而，在许多方面，它们的性能不如刀片式离子阱。单片三维离子阱曾试图结合刀片式离子阱和芯片离子阱的优点，但直到现在，它们只能用于钙等轻离子。

“在我们的单片离子阱中，我们希望以与更重离子兼容的方式，将刀片式离子阱的高性能特性和可及性与芯片离子阱的可扩展性和模块化结合起来，”Abhishek Menon说，他是一名研究生，也是这项研究的通讯作者。“解决囚禁更重离子种类这一更困难的工程问题，也有助于简化对更轻离子种类的囚禁，并进一步推动这种离子阱在多种量子技术中的应用。”

研究团队提出了一种设计，其起点是一块熔融石英玻璃。他们使用激光和化学方法标出并创建了用于离子的通道，以及用于电极的沟槽，这些电极需要在用溅射金涂覆离子阱之前安装。这些沟槽是该设计的重要组成部分。它们按设计将电极隔离，不仅防止电极在金溅射过程中短路，还防止它们在真空中的高压条件下发生介电击穿。

“这确实是一个迭代的设计过程，”Menon说。“我们的第一代失败了，不过是以一种有前景且能提供信息的方式失败：它存在严重的热管理和电管理问题。当在真空中施加所需的高射频电压时，该离子阱开始明显发光。第二代修复了前一代的主要缺陷，但它有几个问题，例如相当大的轴向微运动和高离子加热速率。直到第三代，我们才有了可行的离子阱。”

虽然发光的离子阱可能是最戏剧性的问题，但它并不是团队面临的唯一工程挑战。该离子阱必须平衡多重需求：既要增大离子之间的间距，又要最小化系统中的电压，还要维持适当的离子加热速率，同时不失去任何使该离子阱在实验室中如此有用的特性。

第三代离子阱拥有更好的散热器，可将热量从离子阱中移走，最小化了离子的轴向微运动，并使用了基于等离子体的表面处理来帮助降低离子加热速率。设计完成后，Pagano的实验室与杜克大学的合作者一起，逐一测试了这些离子阱。他们能够确认，这些离子阱既按预期工作，又与之前运行的计算机模拟结果一致。

“单片离子阱使学术实验室更容易使用囚禁离子模拟器，”Roman Zhuravel说，他是这项研究的资深作者，也是Pagano实验室的助理研究教授。“这些离子阱使研究人员能够将具有挑战性的量子问题简化为我们可以解决的问题，然后我们将这些问题映射到更大、更复杂的问题上。单片离子阱适用于许多此类应用，为对这些问题感兴趣的科学家开辟了新途径。”