表面电极离子阱中五线阱的输运研究

量子计算机的扩展需要将多个子系统连接合成为可扩展的物理系统，离子作为量子比特载体，在各个子系统间传递量子信息，所以离子输运是实现在多个离子囚禁区域或多个子系统间的量子比特扩展方案中必要的操控手段，可见离子输运的重要性极高。因此，我们整理了一种用于计算离子输运过程中分段直流电极的时变电压的方法，在方法的设计中，我们不是从纯理论的角度来研究离子输运，还考虑了电子学的实际约束，且让实验方法更加简洁明了。最终的实验结果表明该方法可以让离子按预期的路线输运，这说明该方法是可行的，产生的直流电极电压是可靠的。

实现可扩展量子计算机的主要候选系统之一是离子阱系统[1] [2]，离子阱是一种通过在电极上施加交变电场实现带电原子囚禁的装置[3]，广泛应用于质谱分析[4] [5]、精密光谱[6]、量子模拟[7] [8]和量子计算[9] [10]等领域。在量子计算领域，离子阱也是一种非常重要的物理体系，量子比特具有长相干时间[11] [12]、高保真度[13]、高保真度量子逻辑门[14]、比特间全连通[15]等多个优点，也在少量子比特数的情况下实现了量子纠错实验[16] [17]。当前，制约离子阱系统发展的关键因素是在保持量子态及量子操作高保真度的前提下，如何提高系统内量子比特数目[18]的方法，即系统的可扩展性[19]。一种可能的方法是通过设计预实现基于QCCD 架构的离子阱芯片[20]，通过表面电极对离子囚禁与不同功能区域进行定义和划分、结合离子在不同功能区间的输运， 最终提高全局高保真度量子[21]比特数量。

离子的输运是实现在多个囚禁区域的量子比特扩展方案中必要的操控手段。所谓的多个囚禁区域是指不同区域有着不同的功能，如载入区、操控区、冷却区。载入区载入离子时污染大，则需要运输到洁净的操控区进行操控，操控结束输运到冷却区保证离子在运动的基态。那么离子在不同功能区之间的输运起到一定现实的重要意义。

目前，已有很多实验组成功实现了离子的输运，但是他们对DC 电极电压波形的设计过程过于复杂， 不易于理解，在这里，整理出了一种相较于前人方法更简单、更易于理解的一种方法，并在设计过程中考虑了电子学的实际约束，让该方法不仅仅是只适用于理论上。

本文的其他安排如下：第2 节叙述了离子阱结构，以及相应RF 电压下的赝势情况以及管道高度。

第3 节详细讲解了如何设计DC 电极电压波形以及其中的约束条件。第4 节展示了用第3 节的方法设计出了DC 电极电压波形以及相应的结果图。最后对全文进行了总结。

2. 表面电极离子阱结构与RF 电极 本文设计了一种DC 分段电极的表面电极离子阱，也称位五线阱，其结构如图1 所示：