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离子阱系统是量子信息处理的主要平台，但目前仅限于一维和二维阵列，这限制了它们的可扩展性和应用范围。本文，我们提出了一种克服这一限制的方法，通过证明 Penning 阱可用于实现非常干净的双层晶体，其中数百个离子自组织成两个明确定义的层。这些双层晶体是通过加入非谐波捕获势来实现的，这在现有技术下很容易实现。我们研究了该系统的正常模式，发现了与单平面晶体模式相比的显著差异。双层几何形状和正常模式的独特性质开辟了新的机会——特别是在量子传感和量子模拟方面——这在单平面晶体中并不简单。此外，我们说明了可以扩展这里提出的想法来实现具有两层以上的多层晶体。我们的工作通过有效利用所有三个空间维度来增加捕获离子系统的维数，并为利用多层三维捕获离子晶体进行新一代量子信息处理实验奠定了基础。
用于量子信息处理的捕获离子双层晶体
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