文/Vincent Issier，MKS Instruments战略营销高级总监

图1：在加州理工学院Hutzler实验室里，Matisse 钛蓝宝石激光器与 MixTrain SFG 系统相结合，用于对冷原子和分子进行光谱分析和激光控制，以探索新的基本粒子和相互作用力。图中一名研究生正在调试红外钛蓝宝石种子光源的锁定电子设备，以激发中性镭-226原子跃迁到亚稳定三重态，从而加速含镭新分子的形成。（图片来源：Hutzler实验室）

量子技术在计算、传感和通信领域的巨大潜力，不断吸引着学术界和商业领域的新研究者们投身相关研究。尽管探索量子科学的方法多种多样，但几乎所有方法都在某种程度上依赖光子学和激光技术。这些光子工具的具体使用方式因实验方法而异，包括原子与分子系统、离子与中性原子、模拟与数字计算架构等。对于刚进入该领域的研究者来说，实验室设备和基础设施的初期选择，可能会直接影响实验室最终的研究成果。因此，从一开始就做出正确选择至关重要。

为了给刚刚涉足量子科学研究并且正在寻求指导的从业者提供一些帮助，我们采访了三位在量子科学领域颇有建树的专家：

l Christopher Monroe：杜克大学教授、IonQ 联合创始人，致力于开发离子阱量子计算系统；

l Wes Campbell：加州大学洛杉矶分校物理学教授，利用超冷原子和分子研究传感与模拟涉及的各种物理过程；

l Nick Hutzler：加州理工学院助理教授，使用激光控制原子和分子，开展核物理、基础化学和量子信息领域的实验。

对于“如何构建和维护一个量子实验室？”这一问题，这三位量子技术领域的专家分别分享了各自的见解。

图2：杜克大学量子比特周围腔体。（图片来源：杜克大学）

暖通空调系统（HVAC）是经常被忽视的关键设施

尽管三位研究者的实验方法各不相同，但他们都强调了实验室基础设施中容易被忽视的一个方面：环境控制。Hutzler表示，如果不能直接控制环境中的温度、湿度和气流，那么获得环境稳定的成功率将为零。

量子实验室对环境稳定性的要求要达到什么程度呢？Monroe发现，绝对温度精度其实并不重要，但必须保持 0.1 °F （华氏度）的相对稳定性，同时还要控制好气流和湿度。好消息是，只需要在实验周围的几立方米范围内实现这种环境稳定性即可。Monroe强调，尽管测量过程通常只需要几秒钟，但从初始设置到数据采集的整个过程中都必须维持这种稳定性，以避免滞后效应。

三位专家都表示，标准的楼宇环境控制系统通常难以满足这些要求，因此他们必须部署定制系统来补充实验室现有的暖通空调，通常包括在实验室的进风冷空气管道中安装加热器。加热器根据实验附近的恒温器反馈信息来运行，从而将局部温度维持在所需范围内。定制系统还能控制风扇转速以减少湍流，并过滤灰尘，实验区域则保持正压封闭状态。

图3：杜克大学的一张光学平台，上面放置了用于容纳三个量子纠缠比特设备。（图片来源：杜克大学）

量子实验的基础保障

消除热漂移非常重要，控制机械振动也同样关键。“就我们工作而言，聚焦激光束相对于离子保持静止至关重要，”Monroe说，“我们的激光器通常放置在距离量子比特约一米远的地方，因此即使是微小的振动也可能导致相互作用区内出现严重的光学对准偏差。为了将振动降到最低，我们将实验室设在一楼，并在光学平台、面包板和隔振支架上搭建实验装置。这些设备可以过滤掉环境振动，并抑制或隔离实验内部产生的任何机械干扰源。对于这种高精度、高灵敏度的研究来说，稳定的基础环境至关重要。”

起初，Monroe还有所担忧，因为他们的实验室位于北卡罗来纳州达勒姆市中心，距离一条铁路主干线仅几百英尺。“幸运的是，我使用Newport光学平台已经有数十年的良好经验，我们实验室配备了大约 15张 Newport RS4000 系列光学平台和 S-2000A 系列稳定器，”他说，“这些平台安装好后，我就再也不用担心振动问题了。我们能感觉到火车驶过带来的地面振动，但光学平台发挥了作用，这些振动并没有影响我们的实验。”

Hutzler认为，量子实验室不一定非要设在一楼或地下室。加州理工学院使用大量的机械泵和真空设备，“其实并不用花大力气去避免环境振动，”他说，“只要把整个实验装置放在Newport光学平台上，让它过滤掉所有噪声，不管噪声来自哪里，这种方法更简单。”