イオントラップ型量子コンピュータ
基本的に、二つの準位で構成される量子系はどれも量子ビットを表現できる。イオンの電子状態を使用して量子ビットを形成するには、たとえば以下の方法が知られている。
超微細量子ビット 2つの基底状態の超微細準位を利用
光量子ビット 基底状態レベルと励起レベルを利用
超微細量子ビットは非常に長寿命(数千から数百万年の減衰時間)であり、位相/周波数は安定している(原子周波数標準で伝統的に使用されている)。光量子ビットは、論理ゲートの動作時間(マイクロ秒のオーダー)と比較し、比較的長寿命(1秒のオーダーの減衰時間)である。 どちらの量子ビットを採用するかは、研究室での課題を大きく左右する。
1995年にCiracとZollerによって提案された制御NOTゲートに加えて、多くの同等だがより堅牢な方式が提案され、実験的に実装されている。 Garcia-Ripoll, Cirac, Zollerによる最近の理論的研究は、量子もつれゲートの速度に基本的な制限はないことを示しているが、この衝撃的な原理(1マイクロ秒より高速)のゲートはまだ実験的に実証されていない。 なお、これらの実装の忠実度は99%超である。
荷電粒子を用いた量子ビット状態は、 光ポンピングと呼ばれる過程を経ることで特定の量子ビット状態に初期化することができる。 このプロセスでは、レーザーを用い、荷電粒子をレーザーと相互作用しないエネルギー準位に減衰するような特定範囲の励起状態へとカップリングする。一度荷電粒子がこのエネルギー準位に減衰すれば、レーザーの存在下でも粒子は同じ状態に安定して留まり続ける。もしも荷電粒子が他のエネルギー準位に減衰するようであれば、その粒子を目的のエネルギー準位になるまで励起し続ける。 この初期化プロセスは多くの物理実験で標準であり、非常に高い忠実度(英語版)(> 99.9%)で実行できることが知られている。このエネルギー準位はゼロフォノンと呼ばれ、量子ビット | 0 ⟩ {\displaystyle |0\rangle } に対応する。
したがって、イオントラップ型量子計算システムは、ゼロフォノンを重心として持つ超微細および運動基底状態のイオンによって初期化することができる。