イオントラップ型量子コンピュータ
そのためは粒子は互いに反発することで z ^ {\displaystyle {\widehat {z}}} 軸上の垂直構成をなし、少数の粒子の場合はイオンストライドと呼ばれる荷電粒子が直線状に連なった相を形成する。より多数の粒子を同一のトラップ内で初期化する場合はクーロン力による相互作用の複雑性が増すため、得られる相はより複雑で手に負えないものになる。また、粒子が増えるということはそれだけ個々の振動も考慮する必要があるということであり、これもまた量子系の複雑性を増やす要因となる。こうした性質が、イオントラップを用いて初期化や計算を行う上での課題となっている。
そのため、イオントラップ内に固定された荷電粒子に対して、まずは極低温に冷却することが重要になる k B T ≪ ħ ω z {\displaystyle k_{B}T\ll \hbar \omega _{z}} (→ラムディッケ領域)。 これは、 ドップラー冷却と分解サイドバンド冷却の組み合わせによって実現できる。 極低温下では重心振動モードと呼ばれる相が形成され、イオントラップの振動エネルギーが、イオンストライド上の荷電粒子の持つエネルギー固有状態によってフォノンへと量子化される。 荷電粒子のエネルギーは ħ ω z {\displaystyle \hbar \omega _{z}} の整数倍になる。ただし、こうした量子状態はトラップされたイオンが一緒に振動し、外部環境から完全に分離されているときにのみ発生する。イオンが適切に分離されていないと、イオンが外部の電磁場と相互作用して錯乱が発生することでランダムな動きが生じ、量子化されたエネルギー状態が破壊されるからである。