TIQC에서 어떤 이온을 쓸지 결정하는 것은 매우 기본적인 문제다. 아직 laser와 microwave gate를 공통으로 쓰고 있는 현 시점에 파장이 서로 다른 이온원자를 막 바꾸는 것은 장비 단계에서 한계가 있기 때문이다. IonQ와 Quantinuum 모두 Yb과 Ba을 많이 사용한다. 추가로 Ca과 Sr은 역사적으로 많이 사용된 원자들이다. 여기서는 많은 것을 설명하기 보다 간단히 ‘이온트랩’이라는 이름에 걸맞게 이온 선택에 대한 간단한 설명을 하고자 한다. 특별히 이온트랩에서 가장 중요한 문제 중 하나인 트랩을 만들 때 질량(mass)과 전하(electic charge)의 크기가 중요하다. 이것에 대한 고려를 조금 수월하게 하기 위해 이온원자(Species of atomic ion)에 대한 설명을 가장 앞에 배치하였다.

양자컴퓨터는 고전 컴퓨터처럼 기본적으로는 bits(binary digits) system이 구현되야 한다. 달리 말하면 2진법 정보를 저장할 수 있어야 한다. 이것을 TIQC에서는 원자의 에너지 준위로 구현한다. 이러한 에너지 준위는 원자의 전자 개수 및 궤도 등에 따라 결정된다. 그리고 이것은 spectroscopy(분광법)이라는 분야에서 다뤄진다. 아래에는 대표적인 원자 5종의 원소기호를 표현했다. 순서대로 완전히 고전의 것들, 애매한 것, 최근에 많이 사용되는 것들 순이다.

$_4\mathrm{Be}^+$ (Beryllium)

$_{20}\mathrm{Ca}^+$ (Calcium)

$_{38}\mathrm{Sr}^+$ (Strontium)*

$^{171}_{37}\mathrm{Yb}^+$ (Ytterbium) : 12,642,812,118.5 Hz (F=0 and F=1)

$^{138}_{56}\mathrm{Ba}^+$ (Barium)* : 9,925,455,250 Hz (F=0 and F=1)

각 이온들 사이에는 장단점이 모두 존재하기 때문에 어떤 것이 가장 좋다고 단정 짓기는 어렵다. 특히 요즘은 data ion과 cooling ion을 나눠서 사용하는 추세로, 의도치 않은 노이즈를 피하기 위해 data ion과 cooling ion을 서로 다른 종(species)으로 사용한다. 가장 많이 사용되는 것은 Yb과 Ba이며, Yb은 171, 173, 174을 가장 많이 사용한다.

구체적인 spectroscopy는 <implementation two level system>에서 다룬다.

<Trapped-ion quantumComputing : progress and challenges> “Choice of species” p40