2026年9月9日——巴西圣保罗大学圣卡洛斯物理研究所（IFSC-USP）的研究人员首次在巴西仅利用电场将带电原子约束在极小的空间区域内，成功实现了冷离子囚禁。这项以锶离子开展的实验，是巴西开发量子计算主要平台之一的初始一步。

这项实验由Amilson Rogelso Fritsch领导。他是FAPESP资助的青年研究者（Young Investigator），该资助属于QuTIa项目——即“量子技术计划”（Quantum Technologies Initiative）。项目启动仅18个月后，就取得了上述结果。

“由于离子带有电荷，电场可以吸引或排斥它们。我们的离子阱产生的力能够防止离子向任何方向逃逸。该离子阱利用一个以约18兆赫频率振荡的电场实现约束——也就是每秒振荡1800万次。振荡速度太快，离子根本无法跟上电场的连续变化。这些力的净效应使粒子始终被约束在阱内，并沿阱的中心轴线排列，”Fritsch解释说。

该系统被称为“保罗阱”（Paul trap），以德国物理学家Wolfgang Paul（1913–1993）的名字命名。不应将Wolfgang Paul与奥地利物理学家、量子理论先驱之一Wolfgang Pauli（1900–1958）混淆。1950年代，Paul开发了利用振荡电场约束带电粒子的技术，并因此获得1989年诺贝尔物理学奖。 

另一种用于囚禁离子的策略是“彭宁阱”（Penning trap），里约热内卢联邦大学（UFRJ）的Claudio Lenz Cesar研究组曾使用过这种方案。与保罗阱不同，彭宁阱依靠静电场与磁场的结合，而非振荡电场。

“我们的实验基于保罗阱，从中性锶原子开始：用激光束剥离每个原子的一个电子，产生正离子，然后将离子置入超高真空腔室。这一步必不可少，因为与空气分子的碰撞可能把离子撞出离子阱，或破坏我们试图控制的精细量子态。构成离子阱的电极位于腔室内部，不过整个系统在室温下运行，”Fritsch解释说。

该离子阱完全在巴西建造，并安装于IFSC-USP的一间实验室。下一步目标是从囚禁离子推进到将其作为量子比特（qubit）进行操控，并在未来几个月内执行首批量子处理操作。IFSC-USP正教授、光学与光子学研究中心（CePOF）协调员、物理学家Vanderlei Bagnato兴奋地说：“如今，随着离子被成功囚禁，巴西研究已经在地图上占有一席之地。这是发展量子计算所需的硬件组件之一。”在6月之前，CePOF一直是FAPESP资助的研究、创新与传播中心（RIDC）。

量子计算可以通过不同的物理平台实现。最先进的是超导电路和囚禁离子。在囚禁离子方案中，被电离的原子本身充当信息的物理载体。得益于量子力学的特性，离子明确的内部状态可以表示0和1，也可以表示这两种状态的叠加。多个离子之间还可以纠缠，从而实现传统计算机中不存在直接对应物的操作。

纠缠使两个或多个量子比特共享同一个量子态，因此对其中一个量子比特执行操作，会改变整组量子比特的构型。这一特性可用于构建逻辑门，而逻辑门是任何计算过程的基本单元。

“这种更强的能力并不意味着量子计算机将简单地取代现有计算机，也不意味着它在所有任务上都更快。量子计算机的巨大潜力在于某一类问题，在这些问题中，叠加和纠缠等现象能在计算上得到利用。一个特别重要的例子是模拟原子和分子，这在开发新材料和新药方面具有潜在应用，”Bagnato解释说。

然而，要达到这一步，必须首先解决一个基本问题：让单个原子长时间保持静止并被隔离，以便在其上写入、处理和读出信息。Bagnato总结道：“如果不能保持这种状态，就无法将其用作存储和处理信息的单元。”

电场构成的笼子

巴西团队用自行开发的保罗阱成功完成了这一步。在横向方向上，离子受高频振荡电场的约束。由于电场方向变化极快，离子无法跟上电场的变化并逃逸，其平均运动被限制在阱的中心区域。另一个静电场在纵向（即轴向）发挥作用，防止粒子从两端逃出。当捕获多个离子时，这种约束使它们保持在中心区域，而离子的正电荷又使它们彼此排斥。最终形成一条排列整齐的离子链，相邻离子之间仅相隔数微米。

“在我们获得的图像中，每个亮点对应一个被囚禁的锶离子。我们看到的不是实验的示意图，而是真实的离子，”Fritsch指出。他补充说，离子数量可根据实验需要加以控制。“对于某些应用，用单个离子更有利。对于量子计算，则可以形成由多个离子组成的离子链。由于离子之间因电荷而相互排斥并保持隔离，因此可以用激光束分别操控每一个离子，对特定离子执行操作而不会直接影响其他离子。”

有了这样的控制水平，被囚禁的粒子就能充当信息处理单元。“简单来说，离子的两个内部状态分别表示0和1：基态对应0，激发态对应1。频率精确调谐的激光可以使两者之间发生跃迁。如果只能把每个离子设为0或1，从计算角度看，就谈不上任何‘量子’特性。突破之处在于，激光还能让离子制备到两种状态的叠加态上，”Fritsch解释说。

科普文章解释经典计算与量子计算区别时，通常将经典比特比作一枚已经落在桌上的硬币：要么正面朝上，要么反面朝上。而量子比特更像一枚尚未落定、仍在旋转摇晃的硬币。但需要提醒的是，量子叠加并不简单地等同于某个我们尚不知道的确定状态。处于叠加态的量子比特同时包含对应0和1的分量，其比例决定了测得每种结果的概率。

然而，进行测量时，永远得不到两者的混合；结果总是0或1。按照量子力学的通常描述，叠加态会在测量发生的那一刻“坍缩”为这两种状态之一。如果反复制备并测量同一个态，有时会得到0，有时会得到1。每种结果出现的频率可用于确定测量前叠加态对应的概率。例如，若某个态有70%的概率得到0、30%的概率得到1，那么单次测量只会得到0或1；但如果将同一个态制备并测量一千次，预计会得到大约700个0和300个1。

当有多个量子比特时，另一个关键性质开始发挥作用：纠缠。纠缠会在量子比特之间建立量子关联，使计算机不再把每个量子比特当作独立单元，而是将整组量子比特作为一个单一量子系统来操作。叠加使这一系统包含若干种0和1的可能组合，纠缠则在各组合之间建立联系，使它们不再彼此独立地变化。算法对这些相互关联的可能性进行调控，使其量子振幅发生干涉：有些振幅相互增强，有些则相互抵消。计算过程的设计目标是，最终提高获得所需信息的概率，同时降低得到其他结果的概率。当系统被测量时，叠加态坍缩，产生一个结果。对于某些问题，这种组织和筛选可能性的方法具有经典计算无法比拟的显著优势。

然而，在那之前……

离子必须被冷却到极低的温度。在IFSC-USP开发的系统中，激光将离子的运动降低到对应温度低于1毫开尔文（mK）的水平——即接近绝对零度。Fritsch指出：“比温度本身更重要的，是让离子的运动非常接近其量子基态。这样一来，用于写入和操控信息的激光脉冲就能以可控方式发挥作用，而粒子的热运动不会干扰这个过程。”

锶之所以特别适合，是因为它具有多种对这些任务有用的电子跃迁。较宽的跃迁能使离子吸收并重新发射大量光子，这是冷却和探测的重要特性。另一条极窄的跃迁则可以充当一种“记忆”：其激发态能维持足够长的时间，以便对信息进行操控，之后再读出。

上述所有控制都通过聚焦激光实现，这是CePOF的一项成熟技术。由于离子链中相邻离子相距数微米，可以将激光束对准其中一个离子，而不会对邻近离子执行同样操作。持续时间受控的激光脉冲改变每个粒子的量子态，更复杂的脉冲序列则可以制备叠加态，进而实现量子比特间的纠缠。

一项尚未掌握的能力

这一成果还具有科研能力建设层面的意义。巴西在冷却和囚禁中性原子等相关领域已经积累了相当丰富的经验。但Bagnato认为，要开展这一特定用途的囚禁离子实验，巴西仍需掌握相应能力。

CePOF的现有基础设施对加速推进这项工作起到了关键作用。圣卡洛斯团队在原子冷却方面经验丰富，并拥有开展离子实验所需的光学、激光和真空系统方面的设备与技术。Bagnato表示：“团队在这里拥有的基础设施，使这项工作能够比在没有这种传统的大学更快地推进。”

项目于2024年12月启动。最初18个月的大部分时间用于采购和安装设备以及搭建离子阱。取得的第一个具体成果是成功制备并约束了锶离子，随后对其进行了观测。这项实验目前尚未发表科学论文。

QuTIa项目是FAPESP为发展量子技术领域专门知识而发起的一项计划。Fritsch获得了青年研究者基金（YIG），以在IFSC-USP建立这条新的实验方向。据这位科学家介绍，目前结果前景良好，项目预计还将继续发展，标志着圣保罗大学这一新研究领域的开始。