——從Oxford Ionics到IonQ，量子計(jì)算團(tuán)隊(duì)為何不約而同選擇attocube

引言

量子計(jì)算正在從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)化，而離子阱技術(shù)憑借其超高保真度和長(zhǎng)相干時(shí)間，被廣泛認(rèn)為最有前途的量子計(jì)算物理實(shí)現(xiàn)方案之一。在這一前沿領(lǐng)域中，一個(gè)鮮為人知卻至關(guān)重要的角色是——低溫納米位移臺(tái)。attocube低溫位移臺(tái)憑借其超卓的低溫兼容性、納米級(jí)精度和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，已成為前沿離子阱量子計(jì)算團(tuán)隊(duì)的優(yōu)選設(shè)備。

一、離子阱量子計(jì)算：精度即一切

離子阱量子計(jì)算的核心原理是利用電磁場(chǎng)將帶電原子（離子）懸浮在芯片表面上方數(shù)十微米處，并通過(guò)精確操控離子的內(nèi)部狀態(tài)來(lái)執(zhí)行量子運(yùn)算。這一技術(shù)路線對(duì)定位精度有著極其苛刻的要求：

• 離子捕獲位置：離子被捕獲在距芯片表面約40μm的位置，定位精度需達(dá)到亞微米級(jí)別

• 多區(qū)域并行操控：量子處理器需要在多個(gè)區(qū)域同時(shí)操控不同離子組，各區(qū)域間的精確對(duì)準(zhǔn)至關(guān)重要

• 低溫環(huán)境運(yùn)行：為降低環(huán)境噪聲、提高相干時(shí)間，系統(tǒng)需在4K甚至mK溫區(qū)運(yùn)行

• 長(zhǎng)期穩(wěn)定性：量子計(jì)算任務(wù)可持續(xù)運(yùn)行數(shù)十小時(shí)，期間定位漂移必須極小

attocube低溫納米位移臺(tái)正是為滿足這些要求而生。設(shè)備以穩(wěn)定而優(yōu)異的性能，原子級(jí)定位精度，納米位移步長(zhǎng)和厘米級(jí)位移范圍受到科學(xué)家的肯定和贊譽(yù)，可廣泛應(yīng)用于普通大氣環(huán)境以及超高真空環(huán)境(5x10_-11 mbar)、低溫環(huán)境（10mK）和強(qiáng)磁場(chǎng)中（31 Tesla）。

圖一，離子阱量子計(jì)算示意圖

二、美國(guó)IonQ量子計(jì)算公司：可擴(kuò)展光子量子互連中的關(guān)鍵定位角色

美國(guó)離子阱量子計(jì)算企業(yè)IonQ公司在其最新研究[1]中，展示了一種可擴(kuò)展的光子量子互連平臺(tái)。該平臺(tái)利用薄膜金剛石中的硅空位（SiV）色心作為量子存儲(chǔ)器，實(shí)現(xiàn)了晶圓級(jí)的高良率制造。在該研究的實(shí)驗(yàn)裝置中，IonQ團(tuán)隊(duì)使用了attocube的ANPx101和ANPx311系列的低溫納米位移臺(tái)，作為其稀釋制冷機(jī)內(nèi)低溫顯微鏡系統(tǒng)的核心定位組件，IonQ團(tuán)隊(duì)在該平臺(tái)中實(shí)現(xiàn)了：

• 協(xié)同度（Cooperativity）接近100：SiV色心與光子晶體腔的強(qiáng)耦合

• 品質(zhì)因子Q > 2×10?：多個(gè)薄膜金剛石上的高一致性制造

• 波長(zhǎng)一致性 < 2nm：近100%的可用諧振腔良率

• 光纖-芯片耦合效率 ~85%：低于1dB的插入損耗

圖二、可擴(kuò)展鉆石量子存儲(chǔ)平臺(tái)的示意圖

這些超卓指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，離不開(kāi)attocube位移臺(tái)在毫開(kāi)爾文溫區(qū)提供的精確、穩(wěn)定的定位能力。

"This refrigerator includes a superconducting vector magnet (American Magnets Inc., 1-1-1 T), a custom-built free-space wide-field microscope with a cryogenic aspherical lens, piezo positioners (Attocube ANPx101 and ANPx311 series), and both fiber and microwave feedthroughs."

該實(shí)驗(yàn)在20mK（毫開(kāi)爾文）的極低溫環(huán)境下運(yùn)行，attocube位移臺(tái)在此條件下可靠工作，為以下關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)提供支撐：

圖三、核心芯片及其基于attocube納米位移的驅(qū)動(dòng)部分

三、從學(xué)術(shù)突破到產(chǎn)業(yè)落地：attocube賦能量子計(jì)算全鏈條

在學(xué)術(shù)前沿，attocube低溫位移臺(tái)已在全球多個(gè)量子計(jì)算研究機(jī)構(gòu)中發(fā)揮關(guān)鍵作用：

• Oxford Ionics（英國(guó)）：全電子控制離子阱，創(chuàng)下單/雙量子比特門(mén)保真度世界紀(jì)錄

• IonQ（美國(guó)）：晶圓級(jí)金剛石量子存儲(chǔ)器平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展光子量子互連

• 英國(guó)國(guó)家量子計(jì)算中心：部署Oxford Ionics量子計(jì)算系統(tǒng)

• 德國(guó)Cyberagentur：量子計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)

產(chǎn)業(yè)化優(yōu)勢(shì)選擇attocube低溫位移臺(tái)，意味著：

• 經(jīng)過(guò)驗(yàn)證：從4K到mK全溫區(qū)，在高水平實(shí)驗(yàn)中被直接采用

• 標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品即滿足需求：無(wú)需定制，縮短研發(fā)周期

• 全球技術(shù)支持：attocube提供專業(yè)的售前售后技術(shù)支持

• 持續(xù)產(chǎn)品迭代：與量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)同步進(jìn)化

四、展望：量子計(jì)算規(guī)模化時(shí)代的納米定位挑戰(zhàn)

隨著離子阱量子計(jì)算向數(shù)千乃至數(shù)百萬(wàn)量子比特規(guī)模邁進(jìn)，精密定位技術(shù)將面臨更大挑戰(zhàn)：1）更大規(guī)模芯片：晶圓級(jí)離子阱芯片需要更大行程的定位平臺(tái)； 2）更高并行度：多區(qū)域同時(shí)操控要求更精確的跨區(qū)域?qū)?zhǔn)； 3）更低功耗：大規(guī)模系統(tǒng)對(duì)制冷機(jī)熱負(fù)載更加敏感； 4）更長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間：容錯(cuò)量子計(jì)算需要以天計(jì)的連續(xù)運(yùn)行。attocube正以其持續(xù)的技術(shù)創(chuàng)新，為這些挑戰(zhàn)提供解決方案。從Oxford Ionics的4K離子阱系統(tǒng)，到IonQ的mK金剛石色心平臺(tái)，attocube低溫位移臺(tái)已在量子計(jì)算研究中展現(xiàn)出重要應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)于attocube

attocube systems GmbH總部位于德國(guó)慕尼黑，是精密定位與測(cè)量技術(shù)供應(yīng)商。自成立以來(lái)，attocube始終專注于低溫、強(qiáng)磁場(chǎng)、超高真空環(huán)境下的納米級(jí)定位解決方案，產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于量子計(jì)算、量子傳感、凝聚態(tài)物理、半導(dǎo)體檢測(cè)等前沿領(lǐng)域。attocube的低溫位移臺(tái)產(chǎn)品已成為全球量子計(jì)算研究的標(biāo)準(zhǔn)配置。

參考文獻(xiàn)：

[1]. https://arxiv.org/abs/2508.06675