离子阱（Ion trap） ，又称离子囚禁 ，一种利用 电场 或 磁场 ，或者它们的组合，将 离子 限定在真空度极高的有限空间内的装置。 其技术原理是利用 电荷 与 电磁场 间的交互作用力牵制带电粒子运动，并利用受限离子的 基态 和 激发态 组成的两个 能级 作为 量子比特 ，利用 微波 激光照射操纵 量子态 ，通过连续泵浦光和态相关 荧光 实现量子比特的初始化和探测，离子阱量子比特可以很容易与更多量子比特互动。
量子计算机 以粒子的量子力学状态，如传统计算机以电位的高低表示位元0和1，而量子计算机以粒子的量子力学状态，如原子的 自旋 方向等表示0和1，称为“ 量子比特 ”。离子阱利用电极产生 电场 ，将经过超冷处理的离子囚禁在电场里，实现量子比特。因此离子阱可以应用于实现量子计算机。
离子阱，大致分为 三维离子阱 、 线性离子阱 、 轨道离子阱 三种。 应用最多的离子阱有“ 保罗离子阱 ”（即四极离子阱，沃尔夫冈·保罗）和 彭宁离子阱 。
概述
定义
离子阱，（Ion trap），由一对环形电极（ring electrode）和两个呈双曲面形的端盖电极（end cap electrode）组成，是一种利用 电场 或 磁场 将 离子 （即带电原子或分子）俘获和囚禁在一定范围内的装置。
离子阱质谱 属于动态质谱，与四极杆质谱有很多相似之处。如果将 四极杆质量分析器 的两端加上适当的电场将其封上，则四极杆内的离子将受x, y, z三个方向电场力的共同作用，使得离子能够在这三个力的共同作用下比较长时间的呆在稳定区域内，就象一个电场势阱，这样的器件被称为离子阱。
特点
离子 的囚禁在真空中实现，离子与装置表面不接触。应用最多的离子阱有“ 保罗阱 ”（四极离子阱）和“ Penning阱 ”。 离子阱质谱 可以很方便地进行多级质谱分析，对于物质结构的鉴定非常有用。在质谱的使用过程中，离子阱被认为做定性方面有较大优势；而 四极杆 在定量方面有优势。离子阱在做多级MS方面有性能（非常容易就能做到3级以上的MS）和成本（只用一个阱就能做）上的优势；而四极杆只能做到二级MS（三重四极杆仪器），且价格较贵。
发展
早在1950年，年轻的 汉斯·格奥尔格·德默尔特 在 哥廷根大学 跟随 理查德·贝克 教授学习时，心中萌生了捕捉单个电子的念头。当时，贝克教授在他的课堂上以一个简单的黑板上的点象征性地表示 电子 ，这一形象生动的教学瞬间在德梅尔特心中留下了深刻印象。尽管量子力学课程已教给他任何 量子 粒子都不可能保持静止的基本原理，这个看似“微不足道”的矛盾却在德梅尔特心中萦绕近半个世纪。
1956年，德默尔特首次描写了离子阱对高分辨率质谱的优点。此后开始研究怎样建造离子阱。1959年，成功地将电子在一个多腔磁控管中限制了10秒钟，后来的彭宁阱就是按照这个原理运行的。
1973年，在经历了二十多年的思考与探索后，德梅尔特终于借助一种名为 彭宁离子阱 的装置实现了对单个 量子 粒子的俘获。彭宁离子阱由荷兰物理学家 弗朗斯·彭宁 于1936年发明，其设计巧妙，通过利用 磁场 和负电极金属盘构建了一个真空环境，能有效地将电子限制在其中而不逸出。
汉斯·格奥尔格·德默尔特 领导的研究团队在 华盛顿大学 逐步完善实验技术，他们让电子逐一从陷阱中逃逸，最终只留下单独的一个。起初，他们只能维持单个电子在阱中存在几天，随后逐渐延长至数周，再后来达到几个月之久。最后，在一次标志性实验中，他们观测到了单个电子在阱内的振荡状态持续将近一年的时间，从而能够以前所未有的精确度测定单个电子的磁性质。
1987年，德梅尔特团队进一步将实验拓展到 正电子 —— 电子 的反粒子（将在后续章节详述）。为了彰显他们成功捕获并研究的单个正电子的真实性，德梅尔特给这个正电子赋予了一个具有象征意义的名字：“正电子普里西拉”。这次里程碑式的成就不仅验证了量子理论预测，也为科学家们提供了深入探究微观世界的新途径。
1990年， 美国国家标准与技术研究所 与 科罗拉多大学 的科学家 大卫·维因兰德 (David Wineland)和他的同事们在《 物理评论A：原子，分子和光学物理 》发表论文《量子芝诺效应》，阐述了他们发现量子芝诺效应的实验。这个实验将几千个原子捕捉在一个 磁场 内，然后用经过精密计算的激光束冲击，在持续的观测下，这些原子给出了 量子芝诺效应 的明确证据。
1995年， 伊格纳西奥·西拉克 和 彼得·佐勒 提出使用超冷被捕获离子来实现 量子门 的方法， 离子阱量子计算机 的基础开始完备。
2012年， 大卫·维因兰德 获得了 诺贝尔物理学奖 ，获奖理由是“发现测量和操控单个量子系统的突破性实验方法”。学术界已把《量子理论中的芝诺悖论》一文指称的“量子芝诺悖论”改称为“量子芝诺效应”。
在应用于 量子计算机 中时， 离子阱量子计算机 相比于 超导量子计算机 最大的优势就是全连接性。由于使用了完全相同的、完全连接的 量子位 ，再与精确控制相结合，所以离子阱量子计算机拥有了高质量的量子位和最低的错误率。但是离子阱难以扩展，一个离子阱里面一百多个 量子比特 已经是目前的技术上限，若要扩展成多个连接在一起的阱，则需要更多的技术投入，并且在可操控性上也很弱，而且与经典计算很难实现兼容。与超导技术路线相比，离子阱更学院派。
学界对离子阱路线的基础路线研究很多，但是近几年才开始有公司大规模开展 离子阱量子计算机 的研发，这其中包括美国的 霍尼韦尔中国有限公司 和 IonQ 、英国的 UQ （Universal Quantum）以及中国的 启科量子 等。2018年12月，IonQ实现79位处理量子比特和160位存储量子比特。作为工业巨头的霍尼韦尔，在2018年宣布进军量子计算领域，采用离子阱技术实现 量子计算 ，并于2020年6月推出了64量子体积的量子计算机。8月，美国 杜克大学 和 马里兰大学 的研究者设计出了在低温下运行的全连接的32比特离子阱量子计算机寄存器，相比 霍尼韦尔中国有限公司 6比特全连接提高了5倍，是目前公开最多 量子比特 全连接的技术架构。10月，霍尼韦尔将 量子体积 提升为128，但IonQ宣布在32量子比特离子阱量子计算机上实现预期超过400万量子体积。UQ在2020年获得了450万美元的超额种子轮融资，被投资机构评价为“UQ是全球唯一能够将量子计算的效率提高到指数级的公司”。同年，北京启科量子在 中国光博会 上透露“ 天算1号 ”离子阱可扩展分布式量子计算机项目，第一阶段技术指标可达到100个可操控量子比特以上，且预计在2-3年内完成。
分类
三维离子阱
由一个环形电极和两个端盖电极组成。环形电极和端盖电极均为旋转双曲面形状，也可由在多个（一般为5或者7个）环状电极上施加合适的电压产生的电势面形成。如果环形电极与端盖电极之间施加 射频 电压，则称为泡利离子阱；如果环形电极与端盖电极之间施加直流电压，且在轴向施加 磁场 ，则称为 彭宁离子阱 。 离子 可以被聚焦到阱中心的一个非常小的空间。彭宁离子阱主要用于高精度测量原子（核）的质量。通过飞行时间(或 傅里叶变换 )-离子回旋共振技术，彭宁离子阱测量的稳定 原子核 的质量精度可以达到百亿分之一。相对精度高达千亿分之三的电子质量也是在彭宁离子阱中测量的。
线性离子阱
也称为 线性泡利离子阱 ，由两组双曲线形（或圆形）极杆和两端的端部极杆组成。两组极杆之间施加幅度相同而 相位 相反的射频电压，以限制 离子 的径向运动。为了限制离子的轴向运动，同时还需在端部极杆上施加直流电压。根据直流电压的分布不同，离子可以遍布在阱中心轴线上，或者聚集到一个很小的空间。泡利离子阱主要用于离子的存储和束流的准备。
轨道离子阱
由中心纺锤形电极和具有纺锤形内表面的外壳组成。由于静电力作用， 离子 受到来自中心纺锤形电极的吸引。由于离子进入离子阱前具有初速度和角度，离子会围绕中心电极做圆周运动。轴向上，离子往复运动，从而实现了离子的储存。轨道离子阱已经运用于商业活动中，可以用于分析复杂混合物（或化合物）的组成。通过傅里叶变换-离子回旋共振技术，轨道离子阱的测量精度可达百万分之几。
离子阱工作原理
彭宁离子阱
彭宁离子阱 是荷兰物理学家 弗朗斯·彭宁 在1936年发明的，它能把 电子 限制在真空中两块带负电的金属盘中间。金属盘周围有 磁场 ，用来防止电子从阱的旁边溢出。利用一个带负电的金属叉子可以把电子放置到阱中。通过检测粒子在阱里面的来回振荡阱，可以确认粒子的存在。
保罗离子阱
离子阱作为一种重要的质量分析器，通过精心设计的 电场 来捕获和区分不同质荷比的 离子 。这一装置最早由德国物理学家 Wolfgang Paul 和 Helmut Steinwedel 于1953年研发成功，并在1960年获得专利，因其发明者Paul而被普遍称为“ 保罗离子阱 ”。鉴于其在物理学领域的重大贡献，Wolfgang Paul 在1989年荣获 诺贝尔物理学奖 。离子阱的核心构造包括一个环形电极以及位于该环前后两端的两个端帽电极，这三个电极内部均呈近似的双曲面形状，其中心的小孔允许离子进出陷阱。端帽电极可以接地、连接交流电或 直流电 ，而环形电极则施加高频正弦电压。这种结构形成一个内部空腔，成为了离子化、裂解、存储以及进行质量分析的主要场所。离子阱因其实用性强，便于拆卸、重装和清洗而受到青睐。
功能应用
离子阱是一种非常多用途的量子器件。首先，可以使用外部激光将振动运动和内部电子状态相干耦合。其次，解决的边带冷却能够使振动运动在其基本状态下以接近1的概率做好准备。这是通过使用外部激光来引发地面与激发的内部电子状态之间的拉曼跃迁实现的，其在每个激发周期吸收一个 光子 和一个振动声子。最后，荧光搁置的方法使单个俘获 离子 的内部 电子态 能够以接近1的效率进行测量。
离子阱广泛应用于多种实验场景，如化学电离源（Chemical Ionization, CI）、电子离子源（Electron Ionization, EI）、选择离子监测（Selected Ion Monitoring, SIM）、选择反应监测（Selected Reaction Monitoring, SRM）、多重反应监测（Multiple Reaction Monitoring, MRM）及多重质谱（Multiple MS, MS^n）等技术中。特别是在化学离子源中，可通过引入反应气体至双曲型空腔内实现离子化过程。离子阱的独特优势在于能够灵活地在电子离子源与化学离子源之间切换，甚至在单次色谱周期内也可完成转换。 离子阱以其扫描速度快、内部离子源供应、离子循环重复利用以及高效检测性能而著称，拥有极高的灵敏度。此外，相较于其他类型的质谱分析仪，离子阱的成本相对较低，并且对真空系统的要求也不高，通常只需要达到10 -3 托的压力即可运行，相比之下， 四极质谱仪 （QMS）需要高达10 -3 托的真空水平。这些特性使得离子阱成为实验室中普及率较高且实用价值显著的一种质谱设备。
相关事件
2023年3月2日， 奥地利 因斯布鲁克大学 物理学家将 氘 （ 氢 的 同位素 ）引入一个离子阱，使其冷却，然后用 氢气 填充离子阱。首次在实验中观察到了 量子隧穿效应 ，这是有史以来观察到的最慢的带电粒子反应。据称，这种量子事件每 100 亿次发生一次。
2024年1月， 清华大学 研究团队利用同种离子的双类型量子比特编码，在国际上首次实现无串扰的量子网络节点，对未来实现 量子通讯 和大规模 量子计算 具有重要意义。该研究成果发表于国际学术期刊《 自然-通讯 》。