离子阱系统是量子信息研究的热门领域之一，拥有相干时间长、量子门保真度高等优点，被广泛用于量子计算与量子模拟。目前绝大多数离子阱量子信息处理都在一维离子链上完成，而二维离子晶体可大幅提升离子阱系统的可拓展性并用于探索新奇二维量子物理，因而在过去十年国内外研究组多次尝试将离子阱拓展到二维，但是受限于微振动等问题一直未能实现。

       近日，由清华大学物理系金奇奂教授领导的研究团队进行的一项新研究首次证明了二维离子晶体可用于量子信息处理。这项研究基于团队自研的离子阱芯片囚禁二维离子晶体【Advanced Quantum Technologies 3, 11 (2020)】，并通过电磁诱导透明将镱离子（¹⁷¹Yb⁺）冷却到声子数小于 1，随后在由 4 、7 、10 个离子组成的二维离子晶体上进行了量子模拟实验，通过绝热地降低横向磁场强度成功制备了伊辛（Ising）模型的基态。

图1 (a)离子阱芯片结构示意图。(b)离子阱芯片的扫描电镜图像。(c)装配在真空腔中的离子阱芯片。

       研究团队首先通过控制芯片电极的电压，对离子晶体进行旋转，以将微振动旋转到与操作激光垂直的方向，此时由于离子的微振动与激光方向垂直，从而不会通过多普勒效应在激光上引起相位噪声，使得高质量量子操作变得可能。为了实现这一操作，研究团队历经多年从零开始设计了一款可精确调节离子晶体角度的芯片型离子阱，并在 2020 年首次完成了离子晶体角度调节的演示实验【Advanced Quantum Technologies 3, 11 (2020)】。

图2 (a) 7 离子构成的二维离子晶体的振动能谱。(b,c,f,g)通过调节失谐制备带有阻挫的相互作用基态，(b,f)为绝热演化曲线，(c,g)为基态布居数。(d,e)基态分区磁化的绝热演化曲线与基态布居数。(h)通过逆向绝热演化制备回到初态以验证量子相干性。

       研究团队在由四个离子构成的二维离子晶体上进行了量子模拟实验，以对量子模拟得到的基态进行验证。研究人员分别选用了离子晶体的质心模和锯齿形（zig-zag）模式进行了绝热演化模拟，并对绝热演化的时间演化曲线和终态布居数进行了测量。研究人员发现绝热演化后得到的量子态与理论预期一致，在质心模中得到了铁磁相互作用的基态，所有自旋都倾向于朝向相同方向；在锯齿形模式中得到了反铁磁相互作用的基态，相邻的自旋倾向于朝向相反方向，验证了绝热演化过程的可靠性。

       随后研究人员通过改变失谐对 7 个离子构成的二维离子晶体的相互作用进行调节，分别实现基态带有阻挫和分区磁化的相互作用，并通过绝热演化成功制备了基态，演示了二维离子晶体用于量子模拟的可调节性。同时，研究人员还通过逆向绝热演化将已经制备的基态再次演化到初态，并通过其与未经绝热演化的初态的高度重合验证了整个过程的量子相干性。

       该工作已于2024年1月26日以“基于保罗阱中二维离子晶体的自旋模型可调量子模拟”（Tunable quantum simulation of spin models with a two-dimensional ion crystal）为题发表在《自然·物理》（Nature Physics）上。该论文的通讯作者为清华物理系博士生乔木与清华物理系金奇奂教授，博士生乔木为论文的第一作者。该工作得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金的资助。

       全文链接：https://www.nature.com/articles/s41567-023-02378-9