劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）、加州大学（UC）伯克利分校、加州大学河滨分校和加州大学圣塔芭芭拉分校的研究人员首次通过3D打印技术微型化了四极离子阱——这是构建大规模量子计算机最有希望的方法之一的突破性进展。

四极离子阱有四个电极极，能够产生一个振荡电势，通过覆盖离子的自然振动来捕获离子，类似于通过提升或降低操场降落伞的不同端来保持足球在其表面的方式。这些离子阱可以在离子逃逸之前将其限制数小时，如果将离子冷却到其基态（即最低可能能量状态），它们就可以作为量子比特（qubits）运行，这是量子计算机中最基本的信息单位。

通过超高分辨率的双光子聚合（2PP）3D打印技术制造的毫米级离子阱，能够以与现有技术水平相当的频率、错误率和相干性来限制钙离子，并可用于执行单量子比特和双量子比特操作。该团队的研究成果发表在最近发表于《自然》杂志的一篇论文中。

“这种技术变革将使离子阱从仅能很好地处理少量离子，发展到能够进行我们所认为的计算，甚至有望发展到我们可以将其作为计算机开始使用的程度。”共同作者、LLNL物理学家兼利弗莫尔量子科学中心主任Kristi Beck表示。

新的形状和尺寸 

量子比特需要尽可能长时间地保持相干（处于量子态），并且尽可能可靠地运行，以便研究人员能够有效地编码数据并执行操作。与其它方法相比，囚禁离子具有更长的相干时间和更高的工作温度——需要激光将离子冷却到基态，而不是使用低温制冷。

然而，性能和可扩展性之间存在权衡。在工业界，研究人员通常使用具有表面电极的“平面”离子阱，这些离子阱可以很好地作为大规模信息处理系统的构建模块进行扩展，但传统的3D设计具有更好的性能。该团队看到了3D打印解决这一问题的潜在方案。

“3D打印为我们提供了所需的约束，以很好地捕获离子并以高频率进行捕获，我们还可以在同一芯片上制造许多离子阱。”材料工程部（MED）员工工程师兼共同第一作者Xiaoxing Xia表示。“这类似于在集成电路发明之前，人们使用笨重的单个晶体管。3D打印可以使我们超越这些传统陷阱，进入像我们当前处理器那样更高度集成的系统。”

与常规3D陷阱和平面陷阱相比，打印的陷阱能够以更高的频率限制钙离子，在电极之间产生深谐波势阱，从而稳定系统并提高相干性。这些陷阱通过限制两个每几分钟交换位置的钙离子展示了其稳定性——与现有技术水平相当。

3D打印过程和3D打印陷阱（3D-100-Au-V）的扫描电子显微镜图像。资料来源：《自然》（2025年）。DOI：10.1038/s41586-025-09474-1 该团队还实现了98%保真度的双量子比特纠缠门，执行了单量子比特旋转，并测量了运动加热率，后者量化了囚禁离子量子门的主要误差来源之一。

“我对我们的概念验证所开辟的潜力感到兴奋。”MED员工工程师兼共同作者Abhinav Parakh表示。“为了能够利用量子计算的指数级计算能力，我们需要让多个离子相互纠缠，将它们靠近，用它们进行计算，然后再将它们分开——这是可以使用3D打印结构高效完成的事情。”

该团队可以从头开始在14小时内可靠地打印一个微型离子阱，或者如果他们只在现有基底上打印电极，则可以在30分钟内完成。快速原型制作的能力以及几乎可以以任何配置进行打印的灵活性，也使他们有机会尝试新设计，例如基于经典3D设计的平面陷阱，该团队开发、打印、微型化并用于在低温和室温下捕获离子。

“我们显著扩展了可实现的陷阱几何形状范围，并增加了复杂性。”加州大学伯克利分校量子物理教授兼共同作者Hartmut Haeffner表示。“随着设计空间的增加，我们现在可以以非常不同的方式思考如何优化和微型化我们的离子阱。”

随着设计的演变，该团队的目标是在同一芯片上集成光子学和电子学，以使整个系统更加高效和紧凑。Beck还希望探索使量子计算机更加可靠和易于控制的方法。最大的误差来源是噪声，即与环境的不受控相互作用，使量子系统的行为变得不可靠，而离子阱的表面目前是噪声的主要来源。

“如果我们能够移除靠近离子的更多材料，那么噪声进入系统的途径就会减少，因此我们预计会看到更好的性能。”她说。

潜在的催化剂 

该团队希望他们的创新方法将有助于使LLNL在离子阱量子计算硬件开发方面崭露头角，并作为未来合作的潜在催化剂，帮助将他们的想法转化为商业产品。

微型离子阱还可以用于传感和超高精度原子钟，如果激光冷却系统能够成功地在芯片上进行扩展和集成，它们还可以成为用于精密计量的紧凑型、低功耗质谱仪的基础。Xia还认为这是一个展示高分辨率3D打印在该领域潜力的机会。

“量子计算是3D打印的理想早期采用者，因为它们需要非常高的分辨率、精细的特征和复杂的3D几何形状，而其他制造技术无法提供。”Xia表示。