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

圖1：在加州理工學院Hutzler實驗室里，Matisse 鈦藍寶石激光器與 MixTrain SFG 系統(tǒng)相結合，用于對冷原子和分子進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試紅外鈦藍寶石種子光源的鎖定電子設備，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實驗室）

量子技術在計算、傳感和通信領域的巨大潛力，不斷吸引著學術界和商業(yè)領域的新研究者們投身相關研究。盡管探索量子科學的方法多種多樣，但幾乎所有方法都在某種程度上依賴光子學和激光技術。這些光子工具的具體使用方式因實驗方法而異，包括原子與分子系統(tǒng)、離子與中性原子、模擬與數字計算架構等。對于剛進入該領域的研究者來說，實驗室設備和基礎設施的初期選擇，可能會直接影響實驗室最終的研究成果。因此，從一開始就做出正確選擇至關重要。

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

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

l Wes Campbell：加州大學洛杉磯分校物理學教授，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：加州理工學院助理教授，使用激光控制原子和分子，開展核物理、基礎化學和量子信息領域的實驗。

對于“如何構建和維護一個量子實驗室？”這一問題，這三位量子技術領域的專家分別分享了各自的見解。

圖2：杜克大學量子比特周圍腔體。（圖片來源：杜克大學）

暖通空調系統(tǒng)（HVAC）是經常被忽視的關鍵設施

盡管三位研究者的實驗方法各不相同，但他們都強調了實驗室基礎設施中容易被忽視的一個方面：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。

量子實驗室對環(huán)境穩(wěn)定性的要求要達到什么程度呢？Monroe發(fā)現，絕對溫度精度其實并不重要，但必須保持 0.1 °F （華氏度）的相對穩(wěn)定性，同時還要控制好氣流和濕度。好消息是，只需要在實驗周圍的幾立方米范圍內實現這種環(huán)境穩(wěn)定性即可。Monroe強調，盡管測量過程通常只需要幾秒鐘，但從初始設置到數據采集的整個過程中都必須維持這種穩(wěn)定性，以避免滯后效應。

三位專家都表示，標準的樓宇環(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)來補充實驗室現有的暖通空調，通常包括在實驗室的進風冷空氣管道中安裝加熱器。加熱器根據實驗附近的恒溫器反饋信息來運行，從而將局部溫度維持在所需范圍內。定制系統(tǒng)還能控制風扇轉速以減少湍流，并過濾灰塵，實驗區(qū)域則保持正壓封閉狀態(tài)。

圖3：杜克大學的一張光學平臺，上面放置了用于容納三個量子糾纏比特設備。（圖片來源：杜克大學）

量子實驗的基礎保障

消除熱漂移非常重要，控制機械振動也同樣關鍵。“就我們工作而言，聚焦激光束相對于離子保持靜止至關重要，”Monroe說，“我們的激光器通常放置在距離量子比特約一米遠的地方，因此即使是微小的振動也可能導致相互作用區(qū)內出現嚴重的光學對準偏差。為了將振動降到最低，我們將實驗室設在一樓，并在光學平臺、面包板和隔振支架上搭建實驗裝置。這些設備可以過濾掉環(huán)境振動，并抑制或隔離實驗內部產生的任何機械干擾源。對于這種高精度、高靈敏度的研究來說，穩(wěn)定的基礎環(huán)境至關重要。”

起初，Monroe還有所擔憂，因為他們的實驗室位于北卡羅來納州達勒姆市中心，距離一條鐵路主干線僅幾百英尺。“幸運的是，我使用Newport光學平臺已經有數十年的良好經驗，我們實驗室配備了大約 15張 Newport RS4000 系列光學平臺和 S-2000A 系列穩(wěn)定器，”他說，“這些平臺安裝好后，我就再也不用擔心振動問題了。我們能感覺到火車駛過帶來的地面振動，但光學平臺發(fā)揮了作用，這些振動并沒有影響我們的實驗。”

Hutzler認為，量子實驗室不一定非要設在一樓或地下室。加州理工學院使用大量的機械泵和真空設備，“其實并不用花大力氣去避免環(huán)境振動，”他說，“只要把整個實驗裝置放在Newport光學平臺上，讓它過濾掉所有噪聲，不管噪聲來自哪里，這種方法更簡單。”