紧聚焦光场是我们构建离子阱量子处理器的核心工具。我们的研究从双侧低串扰光学寻址出发，进一步利用光学 Magnus 效应，将可寻址拉曼量子门简化为单侧光学操控。结合原位像差校正、轴向振动模式和光镊声子调控，我们致力于在更大规模的离子晶体中实现高保真、灵活的量子操作。
双侧紧聚焦光场实现低串扰寻址
我们首先演示了双侧紧聚焦拉曼光寻址：从离子阱两侧入射的光束同时聚焦到目标离子，抑制对旁观离子的非期望驱动。双侧物镜与声光偏转器相结合，使光斑能够匹配离子链中不同位置的离子。在约 5.5 μm 的离子间距下，测得旁观离子与目标离子的拉比频率比为 1.19(5) × 10⁻³；由此估算，对目标离子施加单次 π 脉冲时，旁观离子的误激发概率处于 10⁻⁶ 量级，为满足容错量子计算对低串扰操控的要求提供了基础。这项工作发表于 Physical Review Applied 22, 054003（2024）。
两束反向传播的拉曼光同时紧聚焦于选定离子，降低对相邻离子的驱动；声光偏转器控制寻址位置。
用 Magnus 效应将量子门简化为单侧寻址
在低串扰寻址的基础上，我们利用紧聚焦光场的偏振梯度发展了新的纠缠门方案。高数值孔径聚焦引入纵向电场分量，在焦点附近形成横向偏振梯度，使同向传播的拉曼频率分量能够产生自旋相关力。这样，量子门所需的寻址光只需从离子阱一侧入射，通过同一物镜聚焦；共用光路也有利于保持拉曼相位稳定，声光偏转器则灵活选择参与操作的离子对。
我们率先在实验中利用光学 Magnus 效应实现了这种可寻址纠缠门，成果发表于 Physical Review Letters 135, 260604（2025）。在两离子链和四离子链中，经态制备与测量误差校正的 Bell 态保真度分别为 98.7(1)% 和 97.2(4)%。
为保持单侧紧聚焦光场的低串扰，我们还发展了以囚禁离子为探针、利用空间光调制器进行原位像差校正的方法。在远失谐光场中，这一方法将测得的最低旁观离子与目标离子的拉比频率比降至 0.031(4)%，相关成果发表于 In-situ aberration correction for far-detuned laser systems via a trapped ion probe，Chinese Optics Letters 24, 010201（2026）。高质量光斑与单侧偏振梯度操控相结合，为兼具低串扰、高保真度和灵活寻址的量子门提供了技术基础。
紧聚焦光场的横向偏振梯度产生自旋相关力，使同向传播的拉曼光能够驱动可寻址纠缠门。
利用轴向模式缓解多离子频谱拥挤
偏振梯度产生的力垂直于光束传播方向，因此可以用从离子链侧面入射的光，耦合沿链方向的轴向声子模式。我们已利用轴向运动模式实现纠缠门，同时保留对各个离子的独立光学寻址能力。
在径向紧束缚的线性离子链工作区间，轴向模式的频率间隔通常比径向模式更大，频谱更为稀疏。利用这一特点，在相近的门速率与模式分辨要求下，可以减轻非目标模式的激发，为支持更多离子的可寻址门操作提供空间。将简化的单侧光路、精确的波前校正与轴向模式耦合结合，是我们扩展离子处理器规模的重要路线。
用光镊进一步调控晶体中的声子模式
我们同时利用光镊形成的局域势调节选定离子的有效囚禁强度，研究如何重塑离子晶体的声子频率与模式分布。我们已在实验中验证光镊对离子振动频率的调控，相关结果见陈炎的博士论文（2025），第 4.3.3 节。在此基础上，我们正在推进晶体内的声子模式工程，增强目标离子对所需的运动耦合，减弱非目标模式及旁观离子的参与，探索直接在离子晶体中执行高保真纠缠门。
将这种晶体内的声子调控与量子电荷耦合器件（QCCD）架构中的离子输运、分区操作相结合，是面向高效率离子阱处理器的后续研究方向。