Nature：加州大學(xué)伯克利分校提出高精度3D打印微型離子阱技術(shù)

2025年9月4日，南極熊獲悉，由加州大學(xué)伯克利分校、勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室等頂尖機(jī)構(gòu)組成的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)，利用雙光子聚合（two-photon polymerization, 2PP）的高分辨率3D打印技術(shù)，成功制造出性能卓越且可規(guī)模化生產(chǎn)的微型三維（3D）離子阱陣列。這項(xiàng)技術(shù)巧妙地融合了傳統(tǒng)大型3D陷阱的強(qiáng)大性能與平面微加工技術(shù)的擴(kuò)展優(yōu)勢，有效解決了長期以來困擾量子信息領(lǐng)域的一大技術(shù)瓶頸，相關(guān)成果發(fā)表在《自然》雜志上，題為 "3D-printed micro ion trap technology for quantum information applications" 。


論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-025-09474-1

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種新型離子阱能夠以極高的效率囚禁和操控單個(gè)離子，其徑向阱頻率高達(dá)24 MHz，并且僅需使用標(biāo)準(zhǔn)的多普勒冷卻技術(shù)即可實(shí)現(xiàn)接近量子基態(tài)的冷卻（平均聲子數(shù) n≈0.5）。在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)成功演示了保真度高達(dá)97.8%的雙量子比特糾纏門，充分證明了該技術(shù)在構(gòu)建大規(guī)模、高性能量子計(jì)算機(jī)方面的巨大潛力。



研究背景：離子阱技術(shù)的“兩難困境”

離子阱是當(dāng)前最有前途的量子計(jì)算物理實(shí)現(xiàn)方案之一。然而，傳統(tǒng)技術(shù)路線面臨著一個(gè)難以調(diào)和的矛盾：

● 宏觀3D阱： 由手工組裝或精密機(jī)加工而成，這類離子阱具有深勢阱、優(yōu)良的諧波性以及遠(yuǎn)離電極表面的優(yōu)勢，因此離子囚禁穩(wěn)固、加熱率低，量子比特操控性能優(yōu)異。但其結(jié)構(gòu)龐大、制造復(fù)雜、難以微型化和集成，無法滿足構(gòu)建大規(guī)模量子計(jì)算機(jī)所需的數(shù)千甚至數(shù)百萬量子比特的擴(kuò)展要求。
● 表面電極阱（2D阱）： 采用半導(dǎo)體行業(yè)成熟的光刻工藝制造，這類阱可以像芯片一樣大規(guī)模生產(chǎn)，具有極佳的可擴(kuò)展性和集成度。然而，其代價(jià)是性能上的妥協(xié)。由于結(jié)構(gòu)是平面的，其勢阱通常較淺，電場非諧波性更強(qiáng)，且離子離電極表面更近，導(dǎo)致離子更容易受到表面噪聲影響而加熱，量子操作保真度受到限制。

如何將3D陷阱的優(yōu)越性能與2D陷阱的可擴(kuò)展性結(jié)合起來，是該領(lǐng)域亟待突破的關(guān)鍵。

技術(shù)突破：雙光子聚合3D打印

本研究的核心創(chuàng)新在于將雙光子聚合3D打印技術(shù)引入離子阱制造。其具體流程如下：

● 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)： 在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）軟件中設(shè)計(jì)出具有最優(yōu)電極幾何構(gòu)型的三維結(jié)構(gòu)。
● 聚合物支架打?。?在一個(gè)帶有預(yù)制金屬電極的基底（如藍(lán)寶石）上，使用2PP技術(shù)精確地打印出微米級(jí)的聚合物（電介質(zhì)）支架。
● 金屬鍍膜： 通過濺射等方式，在聚合物支架表面均勻地覆蓋一層導(dǎo)電金屬（如金/鈀合金），從而形成功能性的3D微電極。

這種方法的革命性在于：

● 無與倫比的設(shè)計(jì)自由度： 研究人員可以突破傳統(tǒng)光刻工藝的層狀限制，自由設(shè)計(jì)任意復(fù)雜的3D幾何形狀，以優(yōu)化電場分布，從而提升陷阱性能。
● 極快的迭代周期： 從完成設(shè)計(jì)到制造出可供測試的器件，整個(gè)周期可縮短至一到兩天，極大地加速了研發(fā)和優(yōu)化進(jìn)程。
● 卓越的制造精度和可重復(fù)性：該技術(shù)制造的陷阱陣列在平面內(nèi)和平面外方向的尺寸偏差僅為2.2%，表面粗糙度低至6.5納米，完全滿足大規(guī)模量子計(jì)算設(shè)備對(duì)一致性的苛刻要求。



實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：卓越的性能指標(biāo)

研究團(tuán)隊(duì)以⁴⁰Ca⁺離子作為量子比特，對(duì)3D打印的微型陷阱進(jìn)行了一系列嚴(yán)格測試，獲得了令人矚目的結(jié)果：

● 強(qiáng)大的囚禁能力： 實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了2 MHz至24 MHz的徑向陷阱頻率，比同尺寸的表面陷阱高出一個(gè)數(shù)量級(jí)。這意味著離子被“固定”得更牢固，為后續(xù)的快速量子操作奠定了基礎(chǔ)。陷阱深度經(jīng)測量高達(dá)1.3 eV，遠(yuǎn)超表面陷阱通常的幾十到幾百毫電子伏，極大提升了對(duì)離子的束縛能力。
● 簡化的冷卻與高保真度量子門： 得益于超高的陷阱頻率，系統(tǒng)進(jìn)入了“可分辨邊帶區(qū)域”（resolved-sideband regime）。這使得研究人員僅用簡單的多普勒冷卻，就能將離子的運(yùn)動(dòng)冷卻到接近量子基態(tài)（平均聲子數(shù)n≈0.5）。在此條件下，單量子比特門的錯(cuò)誤率低于10⁻⁴，而關(guān)鍵的雙量子比特Mølmer–Sørensen糾纏門的保真度達(dá)到了0.978 ± 0.012。這一成就在無需復(fù)雜邊帶冷卻的情況下取得，意義重大。
● 顯著降低的功耗與加熱率： 在產(chǎn)生相同囚禁強(qiáng)度的條件下，3D打印陷阱所需的射頻電壓比同類表面陷阱低約一個(gè)數(shù)量級(jí)。這不僅降低了系統(tǒng)功耗，也大大減輕了大規(guī)模陣列中的散熱壓力。同時(shí)，由于離子距離電極表面更遠(yuǎn)（本研究中為120微米），測得的離子加熱率也保持在較低水平（在5.5 MHz陷阱頻率下約為每秒20個(gè)聲子），有利于維持量子相干性。



未來展望

這項(xiàng)技術(shù)突破為量子信息科學(xué)及相關(guān)領(lǐng)域開辟了廣闊的應(yīng)用前景：

● 可擴(kuò)展量子計(jì)算： 該技術(shù)是實(shí)現(xiàn)“量子電荷耦合器件”（QCCD）架構(gòu)的理想選擇。QCCD架構(gòu)通過在不同功能區(qū)之間快速穿梭離子來實(shí)現(xiàn)計(jì)算，而3D打印陷阱的深勢阱和強(qiáng)囚禁能力將使離子的分離、合并與穿梭操作更快、更可靠。
● 精密測量與傳感： 其高性能和微型化特性，使其非常適合用于開發(fā)便攜式、低功耗的片上質(zhì)譜儀、高精度光鐘以及量子傳感器。
● 基礎(chǔ)物理研究： 靈活的陷阱設(shè)計(jì)能力也為研究新穎的物理現(xiàn)象提供了強(qiáng)大的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

研究團(tuán)隊(duì)相信，將這項(xiàng)3D打印技術(shù)與集成光子學(xué)、低溫CMOS控制等其他先進(jìn)平臺(tái)相結(jié)合，能夠構(gòu)建出真正實(shí)用化的大規(guī)模量子信息處理系統(tǒng)，從而加速整個(gè)科技前沿的探索步伐。