特刊|离子阱量子计算简史

2022年9月9日，是离子阱技术的发明之一，诺贝尔奖获得者Hans Georg Dehmelt（汉斯·格奥尔格·德默尔特）诞辰100周年的纪念日。为了纪念这位离子阱技术的先驱，让更多读者了解离子阱这项技术，量子前哨特别翻译了科普作家、物理学博士Chiara Decaroli的文章，文章系统地回顾了离子阱的发明、发展历史，以及它是怎样发展成为与光量子、超导电路并驾齐驱的三大量子计算物理路线之一的。

量子计算的春天正在到来：世界各国政府都争相公布野心勃勃的发展规划和大型项目，初企业如雨后春笋般涌现，众多投资也开始进入这一领域。目前，量子计算的技术路线还处于“百花齐放”的态势，其中备受瞩目技术路线之一就是离子阱。对于大众来说，“离子阱”无疑是一个极其遥远的概念，“离子”是什么？“阱”又是什么？这还得从90年前说起……

离子阱的早期历史

故事始于20世纪30年代的荷兰。一位名叫Frans Michel Penning（弗朗斯·米歇尔·彭宁）的年轻学者在博士期间一直研究气体的热力学特性，他对不同气体在极低温度和特定条件下的放电现象非常着迷。在完成博士工作后，Penning加入了飞利浦研究室继续研究气体放电现象，在当时这项研究的主要应用是开发新的灯具。在研究过程中，他发明了一种称为 Penning 真空计的装置，该装置利用磁场加速电子通过一个玻璃管，可以精确测量管内的压力，即真空计[2]。

到了1949年，美国贝尔实验室的物理学家John Robinson Pierce（约翰·罗宾逊·皮尔斯）在他的《电子束理论与设计》一书中描述了一种“电子陷阱”，在理论上描述了利用电场和磁场的组合，可以将电子捕获并限制在特定的空间区域中[1]。

这项工作引起了德国物理学家Hans Dehmelt的注意[5]，他当时正在撰写博士论文，不久后移居美国。他更详细地研究了描述电子在被捕获时运动的数学理论，并在 1959 年创造了第一个“磁控管”式的离子陷阱，并成功的将电子限定在其中。Dehmelt将这个装置命名为“Penning 阱”，以纪念Penning 在研究磁场对放电的影响方面所做的开创性的研究。Penning阱后来成为对电子和质子等粒子特性进行高精度测量的首选工具。

来自J.R.Pierce《电子束的理论与设计》，1949年。

与此