我们的工作“Transverse Polarization Gradient Entangling Gates for Trapped-Ion Quantum Computation”于 2025 年 12 月 24 日发表于 Physical Review Letters，并获选为编辑推荐（Editors’ Suggestion）。
我们利用紧聚焦光场的偏振梯度实现了高保真囚禁离子纠缠门。这一方案简化了现有纠缠门的光路配置，并与光镊架构兼容，为大规模离子阱量子计算提供了新的技术路径。
研究背景与挑战
离子阱量子系统具有很高的操作保真度和相干性，是构建大规模量子计算机的主要物理平台之一。基于离子阵列的量子计算架构通过光学寻址，并行操控各个离子量子比特，具有高连接度和并行计算效率。然而，这一架构的扩展面临一个关键挑战：大离子阵列中密集的声子模式会引起量子门串扰，使高保真纠缠门难以直接实现。近年来，研究者提出利用紧聚焦光镊阵列重塑离子的声子谱并抑制串扰，但在光学寻址的离子阱量子计算机中演示光镊门仍有待突破。
基于光学 Magnus 效应的方案
在离子阱量子计算的长期研究和自主平台建设基础上，我们实现了一种基于光学 Magnus 效应的纠缠门方案：类似于流体力学中的 Magnus 效应，具有自旋的离子在聚焦光流（光镊）中受到垂直于光传播方向的横向力。该方案利用紧聚焦激光的横向场梯度产生与量子态相关的推力，从而在离子之间建立量子纠缠。它省去了传统方案中复杂的反向传播激光配置，简化了实验光路与操作。
主要结果
在 171Yb+ 离子系统中，经态制备与测量误差校正后，我们在双离子链和四离子链中测得的 Bell 态保真度分别为 98.7(1)% 和 97.2(4)%。理论上，这种量子门能够达到高于 99.99% 的保真度。我们分析了当前实验中限制保真度的主要因素，并预计未来可将误差降低一个数量级以上。
图 1. 基于偏振梯度的单离子寻址原理。声光偏转器（AOD）通过高数值孔径物镜产生多个激光光斑，光斑中的偏振梯度为各个离子提供自旋相关力。
研究意义
该技术的关键在于与光镊门的兼容性：光镊操作本身涉及横向运动，而该方案显著简化了光路配置，提高了光镊门在实验中的可实现性。这为构建大规模、可扩展的离子阱量子计算机提供了更简单、灵活的路径。
审稿人评价：“本文展示了光镊与线性离子链的成功结合，提出了一种巧妙而有力的机制，可在任意离子对之间实现双比特门操作……”以及“实现这类量子门的结果令人鼓舞，该方法解决了扩展离子阱量子计算中的一项重要挑战……”
论文链接：https://doi.org/10.1103/w5l6-wmrl
相关报道（光子盒）：https://news.qq.com/rain/a/20251225A06IAR00
（来源：中国科学报，王敏）