科学家提出中性原子量子计算新方案，实现对单个原子的独立操控

近期，中国科学院精密测量科学与技术创新研究院詹明生研究员、许鹏研究员团队提出了一种基于光纤阵列的中性原子量子计算新架构，实现了对单个原子的独立操控和高保真度量子门操作，即让每个量子比特各有“一束光”。

实验中，研究人员成功地在二维光镊中捕获并独立操控了 10 个单原子，并实现了平均保真度 0.9966（3）的单量子比特门操作。值得关注的是，他们还在 4 个随机选择的量子比特上同时实现了任意单量子比特门操作，平均保真度高达 0.9961（4）。

此外，研究团队还在光纤阵列捕获的两个原子之间实现了里德堡阻塞效应（注：里德堡阻塞是一种量子现象，当两个原子处于特定量子态时，会因相互作用而阻止同时激发，该现象与能否实现高保真度的两量子比特门操作密切相关）。

许鹏研究员对 DeepTech 表示：“我们的研究是从底层架构层面为原子量子计算探索出一条新的架构路线，未来有望通过集成光子学等技术进行扩展。”

这种新的技术路线，为满足未来大规模容错的需求和现阶段 NISQ（Noisy Intermediate-Scale Quantum，含噪中型量子）时代对不同算法的匹配需求提供了一种解决方案。

图丨实验装置图（来源：许鹏）

与论文一起公开的审稿人意见对该研究评价称：“这是一项出色的工作，为构建中性原子量子计算机提供了新途径。我认为该研究对量子计算领域具有重要而直接的贡献，同时也将对量子模拟、光–物质相互作用以及量子信息科学的研究产生广泛影响。”

近日，相关论文以《一种用于原子量子计算的光纤阵列架构》（A fiber array architecture for atom quantum computing）为题发表在 Nature Communications[1]。中国科学院精密测量科学与技术创新研究院李潇助理研究员是第一作者，詹明生研究员和许鹏研究员担任共同通讯作者。

图丨相关论文（来源：Nature Communications）

许鹏研究员从博士期间就开始单原子操控的相关研究。2017 年，尽管团队在 Physical Review Letters 报道了两个异核原子（即两个不同原子）纠缠的实验，但此后他们发现，寻址（注：精准点名每个量子比特）仍存在一定困扰。随后，他们继续将原子扩展到异核单原子阵列（2022 年 Physical Review Letters），并致力于进一步提高原子的保真度。

2022 年，研究人员发现传统方式在寻址时需要将光聚焦到单个原子上，但随着时间推移，光与原子的位置无法始终保持精准重合，导致保真度下降。需要指出的是，这种方式会带来另一个问题：光聚焦到原子上时，通常只能逐个或逐行操作，导致对不同原子执行不同量子门操作时效率较低。

那么，如何既能让原子和光很好地对准，又能实现并行的任意操控呢？

（来源：Nature Communications）

在本次研究中，研究人员通过光纤阵列将光束聚焦在真空腔内，形成光镊阵列。他们巧妙利用单原子是由激光囚禁这一原理，将囚禁光和操控光用同一根光纤进行耦合后，实现了囚禁光（形成光镊）和操控光（执行量子门操作）在空间中的位置始终一致，从而保证原子始终被操控光所定位。许鹏研究员指出，这解决了传统架构中因独立光路引起的相对位置漂移问题，并为作用于原子的操控光场与囚禁原子位置之间长期、稳定的对准精度提供了保障。

更进一步地，研究人员将每根光纤与每个原子对应控制，每根光纤后分别设置不同的操控光路，为每个光路能够独立操控提供了保障。基于此，解决了并行和任意操控的问题。

实际上，在研究过程中研究人员面临不少挑战，例如相干性能。在该实验系统中，由于原子温度较高，导致原子的退相干较为严重。为此，研究人员在系统中采用团队在此前工作中发展的单原子魔幻光强偶极阱技术[2]，通过调控激光的偏振使微分光频移尽可能减小，从而使相干时间得到了数量级上的提升，也为后续保真度的提高奠定了基础。

（来源：Nature Communications）

此外，在实验初期由于研究人员将操控光聚焦得过小，导致原子感受到的光强不均匀，因此在操控保真度提升方面“卡”了很久。为此，研究团队采用了一种创新的方案。考虑到操控光与囚禁光的波长不同，他们利用一个镀膜小孔来解决该问题。

许鹏研究员解释说道：“这个小孔的巧妙之处在于，它能够透过 830 纳米的囚禁光，但只能允许 795 纳米的操控光中间的一部分透过。也就是说，相当于把操控光的光斑稍微扩大一些，利用小孔的效应在原子聚焦位置对操控光进行放大。基于此，原子感受到更均匀的光强，从而显著提升了操控保真度。”

据介绍，实施该方案的过程也尤为重要，一方面需要考虑光斑不能扩得太大，否则会引入串扰；另一方面也不能太小，否则对光强均匀性的提升效果不明显。

（来源：Nature Communications）

尽管在本次研究中取得了不错的进展，但仍有一些问题需要在后续研究中继续提升。例如，两比特门的保真度仍需提升，目前尚未实现囚禁光和操控光同时对准原子，他们将进一步优化和探索合适的方法。此外，研究团队在将该系统扩展到千比特甚至万比特方向已进行了初步探索。

他们希望构建一个可切换到三维光波导的光纤阵列。据介绍，其计划通过器件设计的优化和制造工艺的提升，理论上能够达到满足原子操控所需要的激光调制要求，包括光的幅度调节、相位调节和偏振调节等。

“我们可以畅想，原子体系最终可能发展成桌面型的原子量子计算机。随着芯片技术的进一步提升，未来甚至有望做得更小，但性能依然可以达到对几千个物理比特进行完全操控的能力。”许鹏研究员表示。

参考资料：

1.Li, X., Hou, JY., Wang, JC. et al. A fiber array architecture for atom quantum computing. Nat Commun 16, 9728 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-64738-8

2.Yang, J.; He, X.; Guo, R.; Xu, P.; Wang, K.; Sheng, C.; Liu, M.; Wang, J.; Derevianko, A.; Zhan, M. Coherence Preservation of a Single Neutral Atom Qubit Transferred between Magic-Intensity Optical Traps. Phys Rev Lett 2016, 117 (12), 123201. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.117.123201. 3.https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.128.083202.