量子計算研究人員長期以來一直在權衡一個取捨問題。平面離子阱是由平坦的電極建造而成，雖然易於擴展到更大的系統，但性能卻有所妥協。傳統的三維離子阱則能夠更好地保持離子的穩定性，但其體積龐大，且更難以整合。現在，洛倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）與加州大學的科學家們，可能找到了將兩者優勢結合的方法。這個團隊與加州大學伯克利分校、加州大學河濱分校和加州大學聖巴巴拉分校合作，利用高分辨率三維打印技術將四極離子阱進行了微型化。
四極離子阱使用四個電極極來生成振盪的電場，以約束離子。當激光將這些離子冷卻至最低能量狀態時，它們就會作為量子信息的基本單元——量子位。與其他量子位方法不同，被約束的離子可以保持更長的相干性，並且在不需要低溫冷卻的情況下運行。然而，擴展性一直限制了它們的進展。LLNL材料工程部的專業工程師兼共同第一作者夏小星表示：「三維打印為我們提供了所需的約束，以高頻率良好地捕捉離子，並且我們還可以在同一芯片上製造多個離子阱。」這種情況類似於人們在集成電路發明之前，所使用的體積龐大的個別晶體管。
在穩定的離子和更快的原型設計方面，研究人員使用超高分辨率的雙光子聚合打印技術建造了毫米級的阱。這些裝置在頻率和錯誤率方面與最先進的阱相競爭，並且在一個演示中，兩個離子在交換位置的同時保持穩定數分鐘。該團隊還進行了98%保真度的兩量子位糾纏閘操作、單量子位旋轉以及加熱速率測試。LLNL的專業工程師及共同作者阿比納夫·帕拉克表示：「我們的概念驗證開啟了許多潛在的可能性。」他補充道，將離子聚集、執行計算並再次分開，在這些打印結構的幫助下變得可行。
製造過程本身也增強了速度和靈活性。研究人員可以在14小時內打印出一個完整的阱，或者僅在30分鐘內打印出電極，這使得快速測試新形狀成為可能，包括混合平面-三維設計。加州大學伯克利分校的物理學家及共同作者哈特穆特·海夫納表示：「我們大幅擴展了可實現的阱幾何範圍，並增加了複雜性。」隨著設計空間的擴大，現在可以以全新的方式思考如何優化和微型化離子阱。
該團隊目前計畫將電子學和光學直接集成到晶片上，進一步縮小量子硬件的體積。他們還希望解決噪聲問題，因為噪聲仍然是最大的誤差來源。LLNL物理學家和利弗莫爾量子科學中心主任克里斯蒂·貝克表示：「如果我們能夠去除離子附近的更多材料，將會有更少的地方讓噪聲進入系統，因此我們預期會看到更好的性能。」除了量子計算，這種微型化的阱還可以推動原子鐘、質量光譜儀和精密傳感器等技術的進步。夏小星指出：「量子計算是三維打印的理想早期採用者，因為它們需要其他製造技術無法提供的高分辨率、細緻特徵和複雜的三維幾何形狀。」該研究發表在《自然》期刊上。
