离子阱体系的量子计算系统，因其优异的相干时间和门操作保真度，是当前构建量子处理芯片理想候选体系之一。目前，研究人员已经构建了包含多个量子比特的离子阱量子计算系统。然而，离子阱系统中量子比特的操纵需要精确控制激光束，因而一直面临着难以大规模集成问题。
近日，来自苏黎世联邦理工学院（ETH）的一个研究小组，设计实现了一种适用于离子阱量子计算系统的新型集成光学布线，将光学布线和离子阱制备在同一块芯片上，并且将激光通过光纤直接耦合到芯片内部。通过这种新型设计，该研究小组实现了对囚禁离子的基态激光冷却，以及保真度达到99.3%的两比特纠缠门操作，其研究成果发表在了最新的《Nature》期刊上。
该新型设计的芯片如下图左上部分所示，包含光纤阵列部分和量子芯片部分。其中光纤阵列部分有8个激光通道，量子芯片则包含多层布线结构，如下图中右上部分所示，表面的直流和射频电极用于囚禁离子，内部采用Si3N4制备的波导结构则是用于传输控制量子比特的激光。光纤阵列和量子芯片内的激光波导结构通过侧面直接耦合，如图中右下部分所示。通过Si3N4激光波导的布线，即能够将控制光信号精确传输到特定位置，实现对离子量子比特的控制。
通过这种新型的集成光学布线设计，研究人员能够在一个芯片内实现离子阱量子比特和控制光路的布局，降低了整个系统对光路对准的要求，增强了系统对振动和控制激光束方向飘移等的鲁棒性，从而实现对量子比特的精确操控。同时，片上的集成光学布线使得控制激光直接在芯片内传输，为大规模的离子阱量子计算芯片奠定了基础。
