康乃爾大學研究團隊成功開發出新型雷射冷卻技術，能以比傳統方法快兩倍以上的速度，同時冷卻量子電腦中多種類型的原子運動，有效解決離子阱量子電腦目前面臨的運算瓶頸，為未來開發更大型、更快速的量子電腦奠定基礎。
康乃爾大學研究人員近日開發出一項創新的雷射冷卻技術，此突破性進展有望解決大型、高速量子電腦發展所面臨的關鍵瓶頸。相關研究成果已於上週四（11月9日）發表在《PRX Quantum》期刊。
助理教授卡蘭·梅塔（Karan Mehta）指出，離子阱量子電腦（trapped-ion quantum computer）是利用單個帶電原子（離子）懸浮在電磁場中處理資訊。然而，即使是微小的非預期運動也會干擾運算，因此必須透過雷射將離子反覆冷卻至接近其最低能量狀態。他強調：「運算邏輯本應是主導時間的關鍵，但冷卻操作，特別是冷卻到接近量子基態，最終卻成為當前領先系統的主要瓶頸。」
這項新技術透過微製造晶片傳送特殊設計的雷射光束，能夠同時冷卻多種類型的原子運動。研究團隊利用整合光子學方法控制原子，在承載單個原子的晶片上引導光線通過微觀路徑。這種光學元件的穩定性，可將精確控制的駐波雷射光傳遞至被捕獲的原子。透過兩束雷射光反向行進，產生高低光強度交替的區域，並將捕獲的鈣離子置於最低強度點，從而有效移除其運動能量，同時抑制會導致發熱的不必要相互作用。
根據研究數據，透過電磁感應透明冷卻法，研究人員約耗時 150 微秒就能將離子的目標運動冷卻至接近量子基態，相較於傳統雷射配置的約 500 微秒，速度顯著提升。博士生邢振中（Zhenzhong Xing）表示，這項技術能同時冷卻離子三種測量模式的運動，頻率範圍約達 5 百萬赫茲（megahertz），即使這些運動頻率差異不大，也能有效冷卻至基態。傳統技術通常需要獨立的冷卻操作來處理不同類型的運動。
此技術將光學元件整合至晶片中，而非完全依賴複雜的外置雷射裝置，這使得晶片能傳遞控制離子所需的多種波長光。該研究的晶片是在荷蘭透過與蘇黎世聯邦理工學院（ETH Zurich）的合作進行商業製造，康乃爾大學工學院（Cornell Duffield College of Engineering）的設施，包括Cornell NanoScale Science and Technology Facility，也用於裝置的封裝與實驗準備。雖然目前的實驗涉及單一離子，但此方法適用於規模更大的離子阱量子電腦，為量子電腦在擴大規模的同時，提升基本運算效能提供了新的途徑。