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电子陷阱科学家们设计的陷阱，抓到电子了吗？

发布时间 : 2024-11-24

作者 : 小编

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科学家们设计的陷阱，抓到电子了吗？

量子计算也可以使用一种陷阱来实现，不过这种陷阱不抓兔子，抓的是离子，故以“离子阱”命名之。离子是原子分子电离后失去或得到电子而形成的带电荷粒子；阱，就是势能陷阱。因此，离子阱意为“束缚带电粒子的陷阱”……

从彭宁说起

除了超导外，离子阱 系统也被认为是有希望实现量子计算的物理系统之一。相关于离子阱的研究很早就开始了，这可以从一百年前的一位年轻物理学家彭宁说起。

弗朗斯·米歇尔·彭宁 （Frans Michel Penning，1894年-1953年）是荷兰实验物理学家。

彭宁出生于荷兰西部的霍林赫姆镇。其父洛伦斯·彭宁是荷兰文坛的著名小说家，父亲以爱国主义小说而闻名，这些小说浪漫化了布尔人在南非与英国人和祖鲁人的斗争，尽管他从未去过他小说中所描述的国家，但他的书在荷兰大受欢迎，当今大多数文学史学家在年轻时都读过大量洛伦斯·彭宁的作品。他最著名的作品《斯皮昂科普战役》（De held van Spionkop）（1901），以浪漫化的手法讲述了真实的布尔突击队领袖威塞尔斯的故事。到了这本小说已经出版了第三十版的1961年，仍然在书店和图书馆中很受欢迎。

弗朗斯·彭宁在父母塑造的文学爱好氛围中长大，却迷上了数学和物理学。他就读于莱顿大学，一直读到博士。彭宁读博时，师从著名的物理学家、1913年诺贝尔物理奖得主昂内斯。

彭宁的博士课题涉及测量极低温度下各种气体的热力学性质。他1923年获得莱顿大学博士学位后的1924年，被聘为飞利浦研究部门荷兰分部的实验物理学家。飞利浦实验的上司分配彭宁继续研究气体放电现象，目的是开发新型的灯泡。

▲图1：彭宁和他发明的真空计

彭宁着迷于气体放电的研究，1926年，他观察到一种涉及中性原子或分子之间反应的化学电离过程，人们后来称为彭宁效应。此效应描述的是一种由激发惰性气体（如氩）亚稳态原子与气体杂质之间的高能碰撞引起的电离链式反应。这些碰撞会释放电子；电子可以与其他稳定的惰性气体分子相互作用，产生更多的亚稳态，从而引起更多的电离反应。彭宁效应被用于气体放电的霓虹灯和荧光灯中，以改善灯具的电气特性。

彭宁还发现，低压汞放电中直流电流下的电子由于气体中的高频振荡而达到很高的速度。这一结论挑战了之前的实验观察结果。之后彭宁发明了一种冷阴极真空计，称为彭宁真空计 ，由飞利浦公司商业化。这个发明（见图1）启发另一位科学家用磁控管发明了离子阱。

第二次世界大战期间，彭宁曾在飞利浦电子管厂工作过一小段时间，开发了新型高频电子管，并与同事一起，继续对气体电离进行了许多详细观察。彭宁与同事一起撰写了一篇关于他在气体放电方面的工作的评论，该评论于1940年发表在美国杂志《现代物理评论》上。由于德国占领荷兰，彭宁直到1946年才看到这篇出版的文章。二战后，他专注于辉光放电反应过程中的阴极坠落现象。彭宁通过去除阴极上的氧化层，发明了一种电压更稳定的阴极管；这使得能够持续测量阴极坠落。彭宁于1953年12月6日因病去世。

汉斯和保罗

汉斯·德默尔特 （Hans Dehmelt，1922年-2017年）是德国-美国物理学家，沃尔夫冈·保罗 （Wolfgang Paul，1913年-1993年），是德国物理学家，他们是离子阱最早的开发人 ，并且，他们1989年同获得诺贝尔物理学奖。那次物理奖的奖金，一半授予了诺曼·F·拉姆齐，以表彰·拉姆齐对原子钟研究的贡献，另一半便由开发离子阱的汉斯和保罗分享。

实际上，两位科学家在德国就认识，且有师生的名分。保罗是汉斯在哥廷根大学读博士的导师之一。尽管如此，他们却是分别发明了不同的离子阱。

汉斯出生于德国，在柏林长大。1940年中学毕业后他在部队中当兵，于斯大林格勒战役中幸存，然后被陆军遣送到布雷斯劳大学学习物理。1944年他被美军俘虏，1946年被释放。之后，汉斯到哥廷根大学继续他之前中断了的物理学习，他的导师众多，其中许多名人：包括贝克、海森堡、劳厄、保罗、普朗克等。他甚至在普朗克的葬礼上被选为抬棺材的人之一。

汉斯于1949年获得博士学位，然后在杜克大学呆了两年，后来到西雅图的华盛顿大学，1961年成为正式教授直到2002年退休。2017年3月7日，以高龄94岁于美国西雅图去世。

有意思的是，不少科学家的职业目标，都与青少年时代的经历和想法有关，汉斯也是如此。据他自己说，他对原子粒子的兴趣可以追溯到他10岁还是业余无线电操作员的时候。汉斯还说过：“当我还是一名研究生时，我的老师在黑板上画了一个点，说‘这是一个电子’，但从来没有人分离出一个单独的电子”，因此后来，分离单个静止的微观粒子成为了汉斯毕生的研究目标，并且他最后成功了。

当年正在写博士论文，并准备移居美国的汉斯，注意到物理学家J.R.Pierce在他的著作《电子束的理论与设计》中描述了一个电子陷阱，它能够利用电场和磁场的组合将电子限制在特定的空间区域中 。太妙了！如果有某种“陷阱”能够将原子“囚禁”在一个更小的范围内，那你就可以随心所欲地研究它了！如何实现这个想法呢？彭宁发明的真空计启发了他的思路。彭宁真空计实际上已经在一定程度上做到了这一点，也许可以在这个基础上做些改进，实现完全“操控”原子的目的？

到了华盛顿大学后，汉斯开始思考离子阱，认为它可以改进质谱仪的分辨率。1956年，他更详细地描述了电子在被困时运动的数学，描写了离子阱的优点。此后他开始研究怎样建造离子阱。1959年，他成功地将电子在一个多腔磁控管中限制了10秒钟，创造了第一个可以困住电子的“磁龙（magnetron）”陷阱 ！

汉斯没有用自己的名字来命名他的成果，而是把这种装置命名为“彭宁陷阱 ”（Penning Trap），以纪念彭宁在研究磁场对放电的影响方面所做的第一次努力。彭宁陷阱后来成为一种捕获或隔离单个基本电子的方法，只要外部磁场、低温环境和电捕获力保持不变，这种方法就可以进行下去。因此，彭宁陷阱成为对电子和质子等粒子的特性进行高精度测量的首选工具 。

1973年，汉斯与戴维·瓦恩兰等合作持久保存一个单独电子并建造了一个电子振荡器。在此后的数年中他不断改善这个技术并成功地用于精密测量中。

▲图2：汉斯和保罗

彭宁陷阱可以用于很多精密测量，例如测量中微子的质量等。彭宁陷阱使用强磁场来束缚带电粒子 ，另外一种类型的离子阱，保罗离子 阱，则使用振荡的电场来束缚粒子 。

与汉斯开发彭宁陷阱的同时，在德国，另一位物理学家，沃尔夫冈·保罗，也对限制带电粒子的技术感到好奇。

保罗比汉斯大9岁，他1939年在柏林工业大学获得了博士头衔，之后于1944年至1952年在哥廷根大学任教时，曾经协同指导汉斯的博士论文。然后，保罗1952年赴波恩大学任教并担任物理研究所主任，直至1981年。

保罗在波恩大学任教期间，于1953年发明了四极质谱仪，又称保罗质谱仪，用于质谱测量。同时，保罗提出了“没有磁场的新型质谱仪” 。该质谱仪不仅不需要磁场，而且对于某些几何形状，它还可以限制带电粒子，从而像 彭宁陷阱一样，为捕获离子提供了机会，但是不需要强磁场 。

保罗陷阱（Paul Trap）也被称为射频离子阱，因为它使用射频电场来操控电离原子的运动。

保罗是粒子物理学领域的先驱，他的研究包括原子射线、分子射线、电子散射、放射生物学、放射医学等。保罗也是优秀的科学管理者，1964至1967年，他是欧洲核子研究组织物理部门的主任。1970年至1973年他任德国电子加速器理事会主席。他是《哥廷根宣言》的签署者之一，该宣言表达了科学家强烈的社会责任感，警告使用氢弹的核战争将给人类带来毁灭性的灾难。

离子阱原理

电场或者磁场可以在一定程度上限制离子的运动 范围，这是很容易理解的，即使是静电场或静磁场也可以做到。例如图3a所示的静电场的情况，中间带正电荷的离子，将在4面正电荷的库仑力排斥作用下，被前后左右推来推去地运动，保持在一定的区域中。

▲图3：电场中的离子

但是，仅仅使用静态电场无法让离子完全静止。这是根据恩绍定理（Earnshaw's theorem）得出的结论。英国数学家塞缪尔·恩绍于1842年证明了：点电荷集合不能仅靠电荷间的静电相互作用保持稳定静止的平衡状态 。为了解决这个问题，除了静电场外，彭宁陷阱加上了静磁场，而保罗陷阱则加上了一个RF振荡电场 ，如图3b所示。在这两类离子阱中，离子的轴向运动受到静态电场的限制。而彭宁离子阱中的静磁场，或保罗离子阱中的振荡电场，可以允许从两个垂直的径向方向来限制离子。

因此，离子阱本身的原理很简单：就是利用电荷与磁场（或振荡电场）间所产生的交互作用力来约束带电粒子，使其行为得到控制 。当然，尽管理论简单，实验实现起来却不容易。

▲图4：两种离子阱

离子阱量子门

科学家开发离子阱技术的初衷是用于改进光谱测量的精确度。却没想到如今离子阱在实现量子计算机方面大展身手。

离子就是带电荷的原子或分子，根据量子力学基本原理，单个囚禁离子的内部，存在其自身稳定的能级结构 。所以，我们可以从其中选取两个特定的能级 ，将能量较高的状态编码成为|1>态，而将能量较低的状态编码成为|0>态。离子内部能级之间的跃迁，遵循量子物理的概率性原理，单个离子的能量状态可以处于一种叠加态，如此便构成了一个量子比特 ，可以进行量子计算。

离子阱用于量子计算机的主要优势是具有比较长的相干时间。此外，单量子比特门、双量子比特门的保真度较高。

1995年，奥地利因斯布鲁克大学的胡安·伊格纳西奥·西拉克 （Juan Ignacio Cirac，1965年-）和彼得·佐勒 （Peter Zoller，1952年-）在一项提案中发现，离子阱是第一个可用来实现量子计算机的现实系统 ，该提案提出了一种使用超冷被捕获离子来实现量子门的方法。

胡安·伊格纳西奥·西拉克，简称西拉克，是西班牙物理学家。

西拉克于1988年本科毕业，1991年移居美国，在科罗拉多大学博尔德分校天体物理研究所与彼得·佐勒一起担任博士后科学家。1991年至1996年间，他到一所大学的化学学院教授物理学。

1996年，西拉克成为奥地利因斯布鲁克理论物理研究所教授，2001年，他成为德国加兴马克斯普朗克量子光学研究所所长，领导该研究所的理论部门。

▲图5：两位离子阱量子计算先驱

西拉克的研究重点是量子光学、量子信息理论和量子多体物理。他在光学晶格方面的合作工作推动了量子模拟领域的发展。他还在量子信息论、简并量子气体、量子光学和重正化群方法等领域做出了开创性的贡献。他曾被提名为诺贝尔物理学奖的潜在候选人之一。

彼得·佐勒是奥地利理论物理学家。他是因斯布鲁克大学的教授，从事量子光学和量子信息研究，以其在量子计算和量子通信方面的开创性研究以及连接量子光学和固体物理学而闻名。

西拉克与佐勒在离子阱量子计算方面的合作，开启了实验量子计算的可能性。但他们原始方案的缺点是它要求将离子阱系统限制在其联合运动的基态，而这在实验上很难实现。直到8年后，即2003年，Cirac-Zoller的CNOT门才用两个离子进行了实验验证。

1999年，莫尔默 （Mølmer）和索伦森 （Sørensen）提出了一种原生多量子比特捕获离子门（MS门） ，作为Cirac和Zoller方案（CZ门）的替代方案，该方案对系统的振动状态不敏感。MS门可以在不需要处于运动基态的情况下实施。可以用于没有冷却到运动基态的离子，只用全局控制激光器就可以产生多个离子间纠缠。目前，超精细离子阱双量子比特门的最高保真度都是利用MS门实现的。

除此之外，离子阱量子模拟也是一种有潜力的量子计算方法 。

2024年的量子计算领域，离子阱量子计算接连出成果：中国清华大学一个研究组，首次实现512个离子的稳定“囚禁”和冷却，以及对300离子量子比特的量子模拟计算。相关论文发表于《自然》上。此外，欧洲和美国的Quantinuum公司在其以保真度领先的离子阱量子计算机研究中，将一项产品的量子比特数从32升级到56，是一个里程碑式的进展。

参考资料：

【1】维基百科-彭宁

【2】1989年诺贝尔物理奖，https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1989/summary/

【3】Cirac, J. I.; Zoller, P. (1995-05-15). "Quantum Computations with Cold Trapped Ions". Physical Review Letters. 74 (20): 4091–4094

【4】Guo, SA., Wu, YK., Ye, J. et al. A site-resolved two-dimensional quantum simulator with hundreds of trapped ions. Nature (2024).

来源：墨子沙龙

原标题：科学家们设计的陷阱，抓到“兔子”了吗？｜量子计算群英会（十二）

编辑：virens

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