2026年8月26日——尽管量子计算可能是未来的方向，但目前仍受制于难以驾驭的硬件。要使这项技术走向实用，研究人员必须证明它能够持续、稳定地工作，并实现规模化运行。

在发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）的一项新研究中，来自劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）和位于科罗拉多州博尔德市的美国国家标准与技术研究院（NIST）离子存储组的研究人员，开发出一种能稳健地纠缠囚禁离子量子比特的方法。这一成果意味着基于离子的量子计算机将拥有更好的构建模块。

这种方法在两个囚禁离子之间建立了物理连接。这些离子由电场固定在合适位置，但它们确实会自然振动。由于带有相同电荷，它们还会相互排斥。如果一个离子发生移动，就会轻推相邻的离子。

这种共享运动可以用作量子比特之间的信使。在这项实验中，研究团队利用射频和微波电磁场对离子施加作用力。当离子处于不同的量子态时——例如量子比特分别处于“指向上方”和“指向下方”的状态——作用力会以略有不同的方式推动离子的共享运动。

随着离子在这种受控推动下发生运动，它们会获得所谓的“相位偏移”。这种相位偏移本质上是一个编码在量子比特中的角度，它取决于两个离子共同的量子态。

只要时序选择正确且精确，离子的运动就会逐渐衰减，最终恰好回到起始位置。此时，离子就具有了与其量子态相关的相位偏移。它们由此被关联在一起，也就是发生了纠缠。

“纠缠是量子计算机区别于经典计算机的关键特征之一，也是实现量子优势的核心所在，”论文作者、LLNL科学家Tyler Guglielmo表示。“正是这类非经典关联使通用量子计算成为可能。”

正确设定失谐量——即施加的电磁力与离子自然振动频率之间的差值——是整个过程里最棘手也最新颖的部分。

不妨把一个振动的离子想象成坐在秋千上的人。如果你以完全正确的节奏（也就是共振）推动秋千，就能让它加速。但如果秋千上的人扭来扭去，就会打乱节奏。离子也是如此。共振驱动能让量子比特运行得更快，但离子自身的自然晃动可能会扰乱整个过程。

相比之下，以偏离共振的节奏推动秋千，秋千几乎不会移动。你必须推很长时间，才能让它的运动产生真正的变化。然而，由于所施加的力与秋千的共振之间差异极大，坐在上面的人动来动去也就无关紧要了。这样的系统稳健得多，但速度较慢。

研究团队希望鱼与熊掌兼得：量子比特速度快，意味着量子计算速度快；量子比特稳健，则意味着量子计算稳健。为了实现这种双重目标，他们采用了渐变失谐（ramped detuning）的电磁场方案。

“我们从远离共振的状态开始，中间阶段逐渐靠近共振，然后再逐步远离，”Guglielmo说。“这样，我们既能获得远失谐运行所带来的一部分稳健性，又能利用门操作中靠近共振的部分时间来换取速度。”

研究团队还对施加作用力的强度进行了渐变调节。振幅渐变与频率渐变相结合，使态相关力的施加过程具有更强的容错性，从而让离子能够在更高温度下运行，减少校准需求，并为系统规模扩大铺平道路。

“这项工作正在对许多离子阱实验产生影响。失谐渐变的方法必将渗透到众多方案之中，”Guglielmo表示。“我们的下一步，是在配备额外屏蔽硬件的新型离子阱系统中实现这一方法，从而进一步减少误差。”