维因兰德的工作就像把球员给关在一个长条形区域内,排成一排。离子间的静电排斥作用就相当于球员们张开双臂,互相手顶着手。
当一串足球飞向这些球员时(激光束),一个球员以一定的概率接球并踢球,由于顶着其它的球员,他的动作会影响到其它人。这个系统也只存在两个状态,一个是持球的球员+推动其它球员;另一个是“无球球员”+“不推动替他球员”。系统的状态也是这两个状态的概率组合,同样可以用来做量子计算的单位。
维因兰德团队的工作是利用Paul阱囚禁少量离子,实现了简单的量子计算。提到Paul阱不得不先提他的孪生兄弟Penning阱。Penning阱用交变电场结合静磁场囚禁离子(甚至可以囚禁质子),离子在里面的路径是震荡绕圈。Paul阱用四根彼此平行的柱子产生的四极交变电场来囚禁离子。由于可结合激光冷却技术,同样的离子在Paul阱里要比Penning在老实很多,可以呆在阱的中心一动不动。
由量子力学可得知,势阱内的囚禁的离子除了具有电子的能级之外,还有具有振动能级。用激光控制离子电子能级间的跃迁,会同导致离子在阱内振动间的跃迁。这样可以使得离子跃迁到振动能级的基态,实现对离子的冷却。
维因兰德的离子囚禁和操控技术最大的应用价值体现量子信息上。一串相同的离子可以同时囚禁在四根柱子的中心,并连成一线,同时静电排斥力让他们彼此有关联。这就是一个较为理想的实现量子计算的系统。
该离子阱量子计算方案最早由两位奥地利理论物理学家I. Cirac和P. Zoller在1995年提出,很快在1995年年底,维因兰德的团队就在实验上实现了它。这得益维因兰德的团队多年积累的离子阱技术。维因兰德实验开创了离子阱量子计算技术,该技术能够通过增加囚禁的离子的数量来增加量子比特的数量,因此很长时间以来被视为最有希望的量子计算方案。
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