文/Vincent Issier，MKS Instruments戰(zhàn)略營銷高級(jí)總監(jiān)

圖1：在加州理工學(xué)院Hutzler實(shí)驗(yàn)室里，Matisse 鈦藍(lán)寶石激光器與 MixTrain SFG 系統(tǒng)相結(jié)合，用于對(duì)冷原子和分子進(jìn)行光譜分析和激光控制，以探索新的基本粒子和相互作用力。圖中一名研究生正在調(diào)試紅外鈦藍(lán)寶石種子光源的鎖定電子設(shè)備，以激發(fā)中性鐳-226原子躍遷到亞穩(wěn)定三重態(tài)，從而加速含鐳新分子的形成。（圖片來源：Hutzler實(shí)驗(yàn)室）

量子技術(shù)在計(jì)算、傳感和通信領(lǐng)域的巨大潛力，不斷吸引著學(xué)術(shù)界和商業(yè)領(lǐng)域的新研究者們投身相關(guān)研究。盡管探索量子科學(xué)的方法多種多樣，但幾乎所有方法都在某種程度上依賴光子學(xué)和激光技術(shù)。這些光子工具的具體使用方式因?qū)嶒?yàn)方法而異，包括原子與分子系統(tǒng)、離子與中性原子、模擬與數(shù)字計(jì)算架構(gòu)等。對(duì)于剛進(jìn)入該領(lǐng)域的研究者來說，實(shí)驗(yàn)室設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施的初期選擇，可能會(huì)直接影響實(shí)驗(yàn)室最終的研究成果。因此，從一開始就做出正確選擇至關(guān)重要。

為了給剛剛涉足量子科學(xué)研究并且正在尋求指導(dǎo)的從業(yè)者提供一些幫助，我們采訪了三位在量子科學(xué)領(lǐng)域頗有建樹的專家：

l Christopher Monroe：杜克大學(xué)教授、IonQ 聯(lián)合創(chuàng)始人，致力于開發(fā)離子阱量子計(jì)算系統(tǒng)；

l Wes Campbell：加州大學(xué)洛杉磯分校物理學(xué)教授，利用超冷原子和分子研究傳感與模擬涉及的各種物理過程；

l Nick Hutzler：加州理工學(xué)院助理教授，使用激光控制原子和分子，開展核物理、基礎(chǔ)化學(xué)和量子信息領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)。

對(duì)于“如何構(gòu)建和維護(hù)一個(gè)量子實(shí)驗(yàn)室？”這一問題，這三位量子技術(shù)領(lǐng)域的專家分別分享了各自的見解。

圖2：杜克大學(xué)量子比特周圍腔體。（圖片來源：杜克大學(xué)）

暖通空調(diào)系統(tǒng)（HVAC）是經(jīng)常被忽視的關(guān)鍵設(shè)施

盡管三位研究者的實(shí)驗(yàn)方法各不相同，但他們都強(qiáng)調(diào)了實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)設(shè)施中容易被忽視的一個(gè)方面：環(huán)境控制。Hutzler表示，如果不能直接控制環(huán)境中的溫度、濕度和氣流，那么獲得環(huán)境穩(wěn)定的成功率將為零。

量子實(shí)驗(yàn)室對(duì)環(huán)境穩(wěn)定性的要求要達(dá)到什么程度呢？Monroe發(fā)現(xiàn)，絕對(duì)溫度精度其實(shí)并不重要，但必須保持 0.1 °F （華氏度）的相對(duì)穩(wěn)定性，同時(shí)還要控制好氣流和濕度。好消息是，只需要在實(shí)驗(yàn)周圍的幾立方米范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)這種環(huán)境穩(wěn)定性即可。Monroe強(qiáng)調(diào)，盡管測(cè)量過程通常只需要幾秒鐘，但從初始設(shè)置到數(shù)據(jù)采集的整個(gè)過程中都必須維持這種穩(wěn)定性，以避免滯后效應(yīng)。

三位專家都表示，標(biāo)準(zhǔn)的樓宇環(huán)境控制系統(tǒng)通常難以滿足這些要求，因此他們必須部署定制系統(tǒng)來補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的暖通空調(diào)，通常包括在實(shí)驗(yàn)室的進(jìn)風(fēng)冷空氣管道中安裝加熱器。加熱器根據(jù)實(shí)驗(yàn)附近的恒溫器反饋信息來運(yùn)行，從而將局部溫度維持在所需范圍內(nèi)。定制系統(tǒng)還能控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速以減少湍流，并過濾灰塵，實(shí)驗(yàn)區(qū)域則保持正壓封閉狀態(tài)。

圖3：杜克大學(xué)的一張光學(xué)平臺(tái)，上面放置了用于容納三個(gè)量子糾纏比特設(shè)備。（圖片來源：杜克大學(xué)）

量子實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)保障

消除熱漂移非常重要，控制機(jī)械振動(dòng)也同樣關(guān)鍵。“就我們工作而言，聚焦激光束相對(duì)于離子保持靜止至關(guān)重要，”Monroe說，“我們的激光器通常放置在距離量子比特約一米遠(yuǎn)的地方，因此即使是微小的振動(dòng)也可能導(dǎo)致相互作用區(qū)內(nèi)出現(xiàn)嚴(yán)重的光學(xué)對(duì)準(zhǔn)偏差。為了將振動(dòng)降到最低，我們將實(shí)驗(yàn)室設(shè)在一樓，并在光學(xué)平臺(tái)、面包板和隔振支架上搭建實(shí)驗(yàn)裝置。這些設(shè)備可以過濾掉環(huán)境振動(dòng)，并抑制或隔離實(shí)驗(yàn)內(nèi)部產(chǎn)生的任何機(jī)械干擾源。對(duì)于這種高精度、高靈敏度的研究來說，穩(wěn)定的基礎(chǔ)環(huán)境至關(guān)重要。”

起初，Monroe還有所擔(dān)憂，因?yàn)樗麄兊膶?shí)驗(yàn)室位于北卡羅來納州達(dá)勒姆市中心，距離一條鐵路主干線僅幾百英尺。“幸運(yùn)的是，我使用Newport光學(xué)平臺(tái)已經(jīng)有數(shù)十年的良好經(jīng)驗(yàn)，我們實(shí)驗(yàn)室配備了大約 15張 Newport RS4000 系列光學(xué)平臺(tái)和 S-2000A 系列穩(wěn)定器，”他說，“這些平臺(tái)安裝好后，我就再也不用擔(dān)心振動(dòng)問題了。我們能感覺到火車駛過帶來的地面振動(dòng)，但光學(xué)平臺(tái)發(fā)揮了作用，這些振動(dòng)并沒有影響我們的實(shí)驗(yàn)。”

Hutzler認(rèn)為，量子實(shí)驗(yàn)室不一定非要設(shè)在一樓或地下室。加州理工學(xué)院使用大量的機(jī)械泵和真空設(shè)備，“其實(shí)并不用花大力氣去避免環(huán)境振動(dòng)，”他說，“只要把整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置放在Newport光學(xué)平臺(tái)上，讓它過濾掉所有噪聲，不管噪聲來自哪里，這種方法更簡(jiǎn)單。”