引言  突破性成果概览

一项发表于《Nature》的最新研究展示了一种基于双光子聚合（two-photon polymerization ：2PP）的高分辨率 3D 打印技术，能够制造多层高性能微型化 3D 离子阱。通过 3D 打印技术，在不牺牲可扩展性和精度情况下，设计自由度大大扩展，从而可以优化离子阱几何形状以获得更高的性能和更多的功能。

第一章  为何需要3D打印离子阱？

Paul（保罗）型离子阱利用射频场囚禁带电粒子：

1） 宏观 3D 离子阱具有近谐的囚禁势、高囚禁效率和较大的阱深度，使得粒子保持在深势阱中。然而，加工限制了制造微型化、复杂电极结构的能力。此外，宏观 3D 离子阱的离子-电极距离（约 1 毫米）相对较大，限制了在给定电压下的电场强度，从而限制了阱频率。

2） 表面阱结构适合微加工，与成熟的微电机械系统（MEMS）和互补金属氧化物半导体（CMOS）微加工技术兼容，从而允许微型化并扩展到具有复杂 2D 结构的大型阵列，同时实现集成光子离子-光接口。与 3D 几何形状相比，表面阱电极在单一平面中的排列导致势阱中较大的非谐性，并显著降低阱深度。

3） 微型化的 3D 保罗阱结合了宏观 3D 离子阱的效率与表面阱的扩展优势。使用基于 2PP 的高分辨率 3D 打印能够以亚微米分辨率实现复杂的微结构和纳米结构设计，适用于多种应用。与表面阱相比，3D 打印的保罗阱实现了更大的阱深度、更和谐的囚禁势和更高的阱频率。

图1 不同保罗阱参数性能的比较

第二章  关键设计：微型线性保罗阱结构设计

利用商业Nanoscribe双光子光刻系统设计并制造3D打印微型线性保罗阱（见图2）：

· 离子阱型号3D-100-Au-V，由四个金涂层射频电极刀片组成，位于一个蓝宝石基板上，射频电极顶部与基板之间的高度为300微米。相对射频电极之间的距离为200微米，导致离子-射频电极距离为100微米。

· 离子阱型号3D-75-Al-V，几何形状相似，但离子-射频电极（铝涂层）距离减少到75微米。

3D-100-Au-V的九个平面直流（DC）电极放置在基板表面上，以调整600微米 × 600微米正方形中的电势。相邻的射频电极是反相驱动的，而相对电极则是同相的。通过为所有射频电极选择相同的幅度，它们的垂直电场相互抵消。九个直流电极在垂直方向上提供限制，能够抵消杂散场，并使选择有效四极势的方向成为可能。

图2 利用商业Nanoscribe双光子光刻系统设计并制造3D打印微型线性保罗阱

第三章  实验验证：离子冷却效果和广东会门操作

实验结果表明，在3D-100-Au-V 中对 RF 电极施加驱动，频率为 ω _rf /2π = 51.6 MHz，根据所选择的 RF 电压幅度，径向势阱频率 ω _r /2π 范围从 2.09 MHz 到 24.15 MHz。

不同阱频率下的冷却性能：测量与水平主冷却光束方向成 45° 的两个平面模式之一的平均声子数，测量得到不同径向阱频率下的多普勒冷却后的温度数据与理论多普勒冷却极限非常吻合。在多普勒冷却后 Δ = ±21.29 MHz 时测得的红边带和蓝边带光谱，揭示平均声子数达到 n = 0.5。

广东会门操作性能：在仅进行多普勒冷却后，21.29 MHz 阱频率下测量拉比振荡的对比度从0.994降至第 11 次振荡的0.993，表明π 脉冲的错误率小于10 ^-4 。多广东会比特操作方面，在3D-75-Al-V 中使用轴向质心（COM）模式（ω _a /2π = 3 MHz）实现了一个 MΦlmer–SΦrensen 两广东会比特门，门操作时间为100 μs，测得贝尔态保真度为 0.978 ± 0.012。

 图3 3D打印离子阱的冷却及广东会门性能测定

终章  未来展望：性能优化与应用扩展

研究中实现的阱频深度超过了宏观 3D 阱和表面阱的典型值（均高出四倍），未来诸如离子晶体的分离、合并和输运等操作时间尺度将显著加快。

研究中设计并制造的结合高阱频和深谐势的 3D 打印离子阱，同时实现了微型化和可扩展性。随着分辨率和速度的持续提高，3D 打印为离子阱的发展开辟了一条新路径，具有极大的几何自由度和亚微米特征控制，这些特征可以优化以实现超越光刻限制的功能。研究预测，集成光子学的 3D 打印离子阱平台将加速广东会信息处理系统以及片上质谱、精密计量和光学钟的发展。

论文原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-025-09474-1

撰稿｜张帅宁

指导｜张   威