摘要
随着大规模集成电路技术的不断发展，传统半导体晶体管的尺寸逐渐缩小至物理极限，这导致经典计算机的运算性能难以突破。量子计算机具有指数加速的计算能力，可实现对量子比特的精确控制，这将为计算引入新的标准，能够解决经典计算机不能求解的问题。囚禁离子量子计算的主要挑战是将囚禁少数离子实验扩展到多个量子比特，并改进控制技术，以便能够以更高的保真度实现量子逻辑门。目前已有不少实验实现了少数量子比特的囚禁与控制，接下来就是规模化的问题。可扩展的表面电极离子阱能有效实现不同囚禁区域的离子纠缠，这是一种实现大规模量子计算的方法。然而，在可扩展的表面离子阱中控制离子精确移动以及绝热垂直输运是囚禁离子量子计算中正急需解决的关键问题。 传统方法是通过优化电极形状来优化囚禁电场的空间分布，但其搜索参数空间巨大、效率低，且优化后电极图形复杂、加工难度高。本文提出一种在表面离子阱的分段射频电极上使用全电学手段，同时施加相位相同、幅度可调的射频电压，可实现单个鞍点在径向平面内的精确移动，鞍点移动精度可控制在10 nm左右。本方法并不需要对分段射频电极进行形状上的优化，而仅通过改变独立射频电压的幅度即可实现高精度的鞍点移动与控制，因此可以极大降低对电极图形加工精度的要求。此外，本方法还可以实现鞍点位置的实时控制或含时控制，非常有希望为复杂二维离子晶体的囚禁与演化提供重要的研究基础。 在论文的后半部分，我们描述了一种五线表面阱设计，基于全电学手段控制囚禁离子的绝热垂直输运。这种表面电极离子阱的几何结构由解析解和数值计算来确定，其通过在不同的电极配置上施加相应的射频电压被建模以支持离子垂直输运。在~60 μm到~280 μm高度范围内，模拟了离子从阱表面沿垂直方向的输运，并计算输运过程中的势阱深度和长期频率。这种远距离的绝热垂直输运对实现全功能量子计算机至关重要。
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