科学家们设计的陷阱，抓到电子了吗？
量子计算也可以使用一种陷阱来实现，不过这种陷阱不抓兔子，抓的是离子，故以“离子阱”命名之。离子是原子分子电离后失去或得到电子而形成的带电荷粒子；阱，就是势能陷阱。因此，离子阱意为“束缚带电粒子的陷阱”……
除了超导外，离子阱系统也被认为是有希望实现量子计算的物理系统之一。相关于离子阱的研究很早就开始了，这可以从一百年前的一位年轻物理学家彭宁说起。
弗朗斯·米歇尔·彭宁（Frans Michel Penning，1894年-1953年）是荷兰实验物理学家。彭宁出生于荷兰西部的霍林赫姆镇。其父洛伦斯·彭宁是荷兰文坛的著名小说家，父亲以爱国主义小说而闻名，这些小说浪漫化了布尔人在南非与英国人和祖鲁人的斗争，尽管他从未去过他小说中所描述的国家，但他的书在荷兰大受欢迎，当今大多数文学史学家在年轻时都读过大量洛伦斯·彭宁的作品。
弗朗斯·彭宁在父母塑造的文学爱好氛围中长大，却迷上了数学和物理学。他就读于莱顿大学，一直读到博士。彭宁读博时，师从著名的物理学家、1913年诺贝尔物理奖得主昂内斯。
彭宁的博士课题涉及测量极低温度下各种气体的热力学性质。他1923年获得莱顿大学博士学位后的1924年，被聘为飞利浦研究部门荷兰分部的实验物理学家。飞利浦实验的上司分配彭宁继续研究气体放电现象，目的是开发新型的灯泡。
彭宁着迷于气体放电的研究，1926年，他观察到一种涉及中性原子或分子之间反应的化学电离过程，人们后来称为彭宁效应。此效应描述的是一种由激发惰性气体（如氩）亚稳态原子与气体杂质之间的高能碰撞引起的电离链式反应。这些碰撞会释放电子；电子可以与其他稳定的惰性气体分子相互作用，产生更多的亚稳态，从而引起更多的电离反应。彭宁效应被用于气体放电的霓虹灯和荧光灯中，以改善灯具的电气特性。
汉斯·德默尔特（Hans Dehmelt，1922年-2017年）是德国-美国物理学家，沃尔夫冈·保罗（Wolfgang Paul，1913年-1993年），是德国物理学家，他们是离子阱最早的开发人，并且，他们1989年同获得诺贝尔物理学奖。那次物理奖的奖金，一半授予了诺曼·F·拉姆齐，以表彰·拉姆齐对原子钟研究的贡献，另一半便由开发离子阱的汉斯和保罗分享。
汉斯出生于德国，在柏林长大。1940年中学毕业后他在部队中当兵，于斯大林格勒战役中幸存，然后被陆军遣送到布雷斯劳大学学习物理。1944年他被美军俘虏，1946年被释放。之后，汉斯到哥廷根大学继续他之前中断了的物理学习，他的导师众多，其中许多名人：包括贝克、海森堡、劳厄、保罗、普朗克等。他甚至在普朗克的葬礼上被选为抬棺材的人之一。
汉斯于1949年获得博士学位，然后在杜克大学呆了两年，后来到西雅图的华盛顿大学，1961年成为正式教授直到2002年退休。2017年3月7日，以高龄94岁于美国西雅图去世。
电场或者磁场可以在一定程度上限制离子的运动范围，这是很容易理解的，即使是静电场或静磁场也可以做到。例如图3a所示的静电场的情况，中间带正电荷的离子，将在4面正电荷的库仑力排斥作用下，被前后左右推来推去地运动，保持在一定的区域中。
但是，仅仅使用静态电场无法让离子完全静止。这是根据恩绍定理（Earnshaw's theorem）得出的结论。为了解决这个问题，除了静电场外，彭宁陷阱加上了静磁场，而保罗陷阱则加上了一个RF振荡电场，如图3b所示。在这两类离子阱中，离子的轴向运动受到静态电场的限制。而彭宁离子阱中的静磁场，或保罗离子阱中的振荡电场，可以允许从两个垂直的径向方向来限制离子。
科学家开发离子阱技术的初衷是用于改进光谱测量的精确度。却没想到如今离子阱在实现量子计算机方面大展身手。
离子就是带电荷的原子或分子，根据量子力学基本原理，单个囚禁离子的内部，存在其自身稳定的能级结构。所以，我们可以从其中选取两个特定的能级，将能量较高的状态编码成为|1>态，而将能量较低的状态编码成为|0>态。离子内部能级之间的跃迁，遵循量子物理的概率性原理，单个离子的能量状态可以处于一种叠加态，如此便构成了一个量子比特，可以进行量子计算。
离子阱用于量子计算机的主要优势是具有比较长的相干时间。此外，单量子比特门、双量子比特门的保真度较高。
1995年，奥地利因斯布鲁克大学的胡安·伊格纳西奥·西拉克（Juan Ignacio Cirac，1965年-）和彼得·佐勒（Peter Zoller，1952年-）在一项提案中发现，离子阱是第一个可用来实现量子计算机的现实系统，该提案提出了一种使用超冷被捕获离子来实现量子门的方法。
胡安·伊格纳西奥·西拉克，简称西拉克，是西班牙物理学家。西拉克于1988年本科毕业，1991年移居美国，在科罗拉多大学博尔德分校天体物理研究所与彼得·佐勒一起担任博士后科学家。1991年至1996年间，他到一所大学的化学学院教授物理学。
1996年，西拉克成为奥地利因斯布鲁克理论物理研究所教授，2001年，他成为德国加兴马克斯普朗克量子光学研究所所长，领导该研究所的理论部门。
西拉克的研究重点是量子光学、量子信息理论和量子多体物理。他在光学晶格方面的合作工作推动了量子模拟领域的发展。他还在量子信息论、简并量子气体、量子光学和重正化群方法等领域做出了开创性的贡献。他曾被提名为诺贝尔物理学奖的潜在候选人之一。
彼得·佐勒是奥地利理论物理学家。他是因斯布鲁克大学的教授，从事量子光学和量子信息研究，以其在量子计算和量子通信方面的开创性研究以及连接量子光学和固体物理学而闻名。
西拉克与佐勒在离子阱量子计算方面的合作，开启了实验量子计算的可能性。但他们原始方案的缺点是它要求将离子阱系统限制在其联合运动的基态，而这在实验上很难实现。直到8年后，即2003年，Cirac-Zoller的CNOT门才用两个离子进行了实验验证。
1999年，莫尔默（M?lmer）和索伦森（S?rensen）提出了一种原生多量子比特捕获离子门（MS门），作为Cirac和Zoller方案（CZ门）的替代方案，该方案对系统的振动状态不敏感。MS门可以在不需要处于运动基态的情况下实施。可以用于没有冷却到运动基态的离子，只用全局控制激光器就可以产生多个离子间纠缠。目前，超精细离子阱双量子比特门的最高保真度都是利用MS门实现的。
除此之外，离子阱量子模拟也是一种有潜力的量子计算方法。
2024年的量子计算领域，离子阱量子计算接连出成果：中国清华大学一个研究组，首次实现512个离子的稳定“囚禁”和冷却，以及对300离子量子比特的量子模拟计算。相关论文发表于《自然》上。此外，欧洲和美国的Quantinuum公司在其以保真度领先的离子阱量子计算机研究中，将一项产品的量子比特数从32升级到56，是一个里程碑式的进展。