玻色子系统是量子计算研究的热门领域之一，具有包括解决量子化学问题，增强随机算法和量子机器学习方法等一系列潜在的应用。目前大多数玻色子系统是由使用带有光子的光学系统创建的，但由于光子系统的技术瓶颈，包括光子损失、非确定性生成和光子状态检测效率较低等问题，研究人员正在寻找新的替代平台。

近日，由清华大学物理系金奇奂教授领导的研究团队进行的一项新研究展示了离子阱系统构建可扩展和可编程声子网络的潜力。该研究提出，囚禁离子的量子化运动模式的声子可以作为实现玻色子网络的替代品。研究发现，一维离子链的集体运动模式不易受均匀电场噪声的影响，在大多数情况下允许声子数守恒。

图1(a)玻色子系统结构示意图。(b)四模式声子网络示意图；(c)声子态制备方案；(d)声子分束器实现方案；(e)声子态检测方案

通过使用来自于五个离子的四种集体运动模式，该团队能够展示一个包含所有基本操作的声子网络（图1b）。通过控制离子的载波和边带操作，每个模式中的声子态都可以被确定性地准备（图1c）和检测（图1e）。同时，任何两种不同模式之间的分束器（图1d）也可以通过对耦合强度最大的离子使用拉曼跃迁来实现，并且分束器的旋转角度和相位可以通过两束拉曼光的持续时间和相对相位来控制。

图2. (a)单声子态重构实验结果；(b)双声子态重构实验结果

研究人员使用典型的层析成像算法对具有固定声子总数的任意多模态的性能进行了基准测试，并获得了单声子（图2a）和双声子入射态（图2b）的高重构保真度。该研究结果展示了一条清晰的途径，可以扩展用于量子信息处理的声子网络，并突破经典和光子系统的一部分技术限制。该研究为量子计算和量子技术的进步开辟了新的可能性。

该研究于2月27日以“可扩展可编程的捕获离子声子网络”（Scalable and Programmable Phononic Network with Trapped Ions）为题发表在《自然·物理》（Nature Physics）上。该论文的通讯作者为清华大学物理系2017级博士生陈文涛，帝国理工大学M.S. Kim教授与清华物理系金奇奂教授、博士生陈文涛为论文的第一作者。该研究得到了量子科学技术创新计划和国家自然科学基金的资助。