2026年2月26日——费米国家加速器实验室和麻省理工学院林肯实验室的研究人员利用真空低温电子器件成功捕获并操控离子，实现了热噪声降低和灵敏度提升。这项原理验证实验标志着向构建大规模离子阱量子计算系统迈出了重要一步。

该离子阱与深低温控制电路协同集成项目由美国能源部下属两大国家量子信息科学研究中心——橡树岭国家实验室主导的“量子科学中心”与劳伦斯伯克利国家实验室主导的“量子系统加速器”合作完成。其中量子系统加速器的具体工作由桑迪亚国家实验室与麻省理工林肯实验室联合开展。

基于对双方专业优势互补性的认可，两个研究中心的负责人共同支持了此次技术演示。

“这项卓越研究整合了量子技术领域的前沿成果，为采用低温电子控制芯片的可扩展离子阱量子计算开辟了激动人心的新方向，”量子科学中心主任特拉维斯·汉布尔评价道。

研究的核心是费米实验室开发的低温电子器件——这些专为量子计算机极端低温环境设计的电路被集成到麻省理工林肯实验室的离子阱平台中，用以测试其能否可靠执行关键功能：移动单个离子、将其固定在设定位置以及测量电子噪声影响。

为何选择离子阱？

离子阱量子计算机利用电磁场约束的带电原子作为量子比特，这类系统因其长相干时间和高保真度操作而备受青睐。

但将其扩展至先进应用所需的百万量子比特规模仍面临重大挑战。现有系统依赖激光器及室温电子设备与低温离子阱间的大量布线，随着离子数量增加，这种配置将日益不切实际。

费米-麻省理工团队通过在离子阱附近部署超低功耗低温电子器件，开辟了一条可行路径。他们重新设计的系统用安装在低温环境中的芯片替代了部分室温控制器，成功验证了这种混合方法对离子的操控能力。

“除了验证可行性，我们获得了诸多启示，”费米实验室微电子部门负责人法拉·法希姆表示，“通过证明低功耗低温电子器件可在离子阱系统内工作，我们有望加速量子计算机的扩展进程，让看似还需数十年的目标更早实现。这种方法最终可支持具有数万乃至更多电极的系统。”

未来工作将直接把电子器件与离子阱芯片相连，进一步提升效率与性能，实现更大规模离子阱阵列的扩展。

经验总结

实验还揭示了指导未来芯片设计的新认知。例如，在费米实验室环境中表现良好的晶体管，在麻省理工更低温条件下性能下降，影响了控制电路的运行范围和表现。

此外，电路初始电压保持时间仅为毫秒级，虽然经过改进有所延长，但要达到大型系统所需的分钟或小时级保持时间仍需进一步优化。解决这些挑战将成为下一阶段研发的重点。

麻省理工林肯实验室技术团队成员罗伯特·麦康奈尔指出：“尽管在建立实用规模离子阵列控制技术方面仍存在重大挑战，但本次小尺寸、低噪声电子器件的演示为我们希望在近期开发的混合集成系统奠定了基础。”

这次成功集成不仅标志着向可扩展量子计算技术的实际迈进，也凸显了跨中心协作的价值所在。