用纳米超表面捕获原子，哥大团队让量子阵列规模暴涨100倍

量子计算的扩展性瓶颈，困扰着全球的研究团队。如何把更多原子稳稳地“夹”在激光束形成的微型陷阱里，如何让这些陷阱的数量从几百个跃升到成千上万甚至更多——这是中性原子量子计算领域绕不过去的一道坎。

哥伦比亚大学物理系的 Sebastian Will 实验室与应用物理系的虞南方（Nanfang Yu）实验室近日在《自然》（Nature）上发表的一项工作，给出了一个可能改变游戏规则的答案：用全息超表面（holographic metasurface）生成光镊阵列，实现了锶原子的单原子俘获，并在实验中组装出包含数百个单原子的二维阵列；同时在纯光学表征中演示了一个包含 36 万个光学陷阱的阵列。

图丨相关论文（来源：Nature）

这项研究的核心技术并不是光镊本身。光镊，也就是用高度聚焦的激光束来捕获和操控微观粒子，早在 1997 年就让朱棣文等科学家获得了诺贝尔物理学奖。

过去十年间，光镊阵列技术突飞猛进，成为中性原子量子计算的主流方案之一。QuEra、Atom Computing、Pasqal 等公司都在押注这条技术路线，哈佛、MIT、加州理工等顶尖实验室也在这一领域深耕。

就在 2025 年 9 月，加州理工的 Manuel Endres 团队刚刚创下了用液晶空间光调制器（liquid-crystal spatial light modulator，SLM）生成的光镊阵列捕获 6,100 个铯原子量子比特的纪录。但无论是空间光调制器还是声光偏转器（acousto-optic deflector，AOD），都面临一个根本性的限制：像素尺寸太大，调控能力有限。

典型的空间光调制器像素尺寸在 4 到 20 微米之间，这直接限制了有效数值孔径（numerical aperture，NA），也就是说，设备能够聚焦光束的角度范围存在天花板。想要获得足够紧致的光镊陷阱来捕获单个原子，必须借助额外的缩放光学系统，而这些光学元件本身又会引入像差、功率损耗和视场限制。

哥伦比亚大学团队的做法是另起炉灶。超表面是一种由亚波长尺度的纳米柱阵列构成的平面光学器件，每个纳米柱都可以精确地调控穿过它的光波的相位。当一束激光打在超表面上时，这些密密麻麻的纳米“像素”协同工作，直接在焦平面上生成所需的光强分布图案，也就是光镊阵列。

由于像素尺寸可以做到几百纳米（本工作中为 290 纳米），远小于工作波长（520 纳米），超表面能够实现高达 0.6 以上的有效数值孔径，无需任何中继光学元件就能直接聚焦出亚微米尺度的陷阱。

图丨超表面光学镊子阵列及其与超冷原子的集成（来源：Nature）

研究团队的核心成员之一、哥伦比亚大学博士许渊在接受 DeepTech 采访时这样解释超表面的优势：“我们用大概五瓦的激光生成 1,000 个陷阱，每个陷阱能达到三毫瓦的深度，基本上 60％ 的能量都能利用起来。传统方法的能量利用率通常只有 30％ 左右。”

这种效率上的差异意味着什么？许渊给出了一个直观的对比。2025 年加州理工那篇 Nature 文章里，团队用 130 瓦激光实现了囚禁 6,100 个原子的陷阱。而哥伦比亚大学的实验室激光只有不到5瓦，却能做出 1,000 个有效陷阱。

虽然两个团队所使用的原子种类有所差别，加州理工用的是铯原子，许渊团队用的是锶原子，后者的魔术波长（magic wavelength）条件更苛刻，但核心信息非常明确：超表面方案在单位功率下能够生成更多的有效陷阱。

许渊进一步说：“超表面本身能够生成的陷阱数量可以非常多。我们这次做 36 万个陷阱，主要瓶颈就是激光功率不够。如果能用到百瓦甚至更高量级的激光，陷阱数量还能大幅提升。”

激光功率确实是目前的主要瓶颈。团队的计算表明，一个原子大约需要 2 到 3 毫瓦的陷阱功率才能被稳定束缚。要做到十万个原子的规模，需要 200 瓦量级的激光；百万级则需要千瓦量级。

好消息是，高功率激光技术正在快速发展。许渊提到，中科院上海光机所孵化的激光企业（频准激光）已经可以做到数百瓦的激光量级，团队下一步计划用 200 瓦左右的激光来实现十万个原子的阵列。

材料选择是超表面设计中另一个关键考量。团队并行开发了两种材料平台：富硅氮化硅（silicon-rich silicon nitride，SRN）和二氧化钛（TiO₂）。许渊解释道：“二氧化钛在可见光波段是最优的材料。

在 520 纳米波长下完全没有吸收，2,000 瓦以上的功率打在一平方毫米的区域上也不会有吸收和损耗——这相当于我们平时出门所晒到的太阳光强度的一百万倍。”

但二氧化钛的折射率相对较低（约 2.4），对于更长波长的应用（如 1,060 纳米）会面临挑战。氮化硅则能够覆盖从 500 纳米到近红外的宽波段，适用于多种原子。”复用性上氮化硅更好，能够扩展到更多波长；在极致的能量表现上，二氧化钛更优。

团队下一步的十万级工作会用 SRN 来做，因为计划转向铯原子（Cesium），而铯原子最成熟的激光资源集中在 1,060 纳米波段。

超表面方案的一大亮点是为中性原子量子技术走向大规模实用化开辟了全新的"芯片级"量产路径。许渊表示，空间光调制器的价格差不多在数十万人民币左右，整个光学系统的成本则来到了百万人民币以上。而超表面即便是实验室小批量制作，一片的成本也就数万人民币；如果利用半导体工业常见的晶圆厂量产流程，单片成本可以降到几十块甚至更低。

不过他也坦言：“价格其实是其次的，既然做量子计算，成本不会是首要考量，效果才是第一位的。”

除去成本之外，“芯片级”路径带来的另一大优势便是极佳的可复制性：“我们制作的许多芯片无需任何调试，一次成片即可正常工作。这在 SLM 上几乎无法实现，因为 SLM 的像素尺寸较大、数值孔径有限，其直接生成的图案难以满足使用要求，必须借助多级中继光学系统进行逐步缩小，这又带来了许多额外的相差和扰动，必须根据实际效果进行多次相位图优化和迭代，才能产生可用的光学图案。”

研究数据显示，超表面阵列的均匀性可以与现有技术媲美甚至更优。团队用单个锶原子作为探针来表征阵列特性，测得陷阱深度的不均匀性为 7.5％，径向和轴向陷阱频率的不均匀性分别为 5％ 和 8％，位置精度偏差约为 60 纳米——与锶原子基态振动波函数的展宽相当。

许渊在采访中提到，如果去除中继光学系统，直接把超表面放在真空腔内成像，理论上均匀性可以做到 2％ 甚至更低。“我们的系统在架构上比较简单，本质上就是一个光学全息图。整个光学过程可以在模拟中完美重现，模拟结果和实验结果基本没有差别。”

图丨通过原子响应表征超表面阵列的均匀性（来源：Nature）

但当前方案也面临工程挑战。普通的真空腔侧壁厚度至少要 6 毫米以上。如果超表面要直接放在真空腔内工作，考虑到数值孔径和焦距的关系，超表面的口径可能需要做到 1 到 2 厘米。而用电子束光刻（electron-beam lithography，EBL）写这么大面积的图案，时间会从几小时延长到一两天，期间出现缺陷的概率也会增加。

“如果能用硅基材料走晶圆级工艺，尺寸就不再是限制了。”团队正在探索多晶硅作为替代材料的可能性。

这个项目从 2019 年立项到最终发表，走过了将近七年。论文作者之一吴家昊回忆说，这个项目“几乎贯穿了许渊的整个博士生涯，从申请博士时提出想法、撰写 proposal，到五年间见证项目从立项走向收尾”。其间还有一段让团队哭笑不得的经历。

2023 年前后，实验进入了一个诡异的僵局，芯片怎么做都做不好，团队花了大半年时间 debug，做了十几批样品，把仪器问题、工艺参数、环境因素全都排查了一遍，始终找不到原因。直到最后才发现，原来是因为 2019 年立项时采购的试剂，到 2023 年已经过期了。

图丨从左到右依次是：虞南方、许渊、吴家昊（来源：研究团队）

回到研究本身，目前中性原子量子计算的扩展性竞争正在升温。业界主流的扩展方案，无论是 QuEra 强调的动态原子重排和纠错能力，还是 Atom Computing 与微软合作展示的 24 个逻辑量子比特纠缠，都依赖于声光偏转器或空间光调制器来生成光镊阵列。这些主动式器件的优势在于可编程性，即可以在运行时动态调整阵列图案。

但它们的像素尺寸限制了可扩展性，按照研究团队的估算，大约需要 300 个像素才能稳定生成一个高质量陷阱。这意味着一个 4,000×4,000 像素的顶级空间光调制器，能够产生的高均匀性（＞95％）陷阱数量上限约为 5 万个。而超表面的像素数量可以轻松超过 12,000×12,000 甚至更多，理论上能够生成 50万乃至百万个以上的陷阱。

当然，超表面方案也有其局限性。作为被动式器件，一旦制造完成，图案就固定了。团队目前的解决办法是在同一个基底上制作多个不同图案的超表面，通过移动基底来切换阵列几何形状。

团队在采访中也提到，主动式超表面是虞南方教授实验室一直追求的“皇冠上的明珠”，但目前市面上声称的“主动式”超表面，像素尺寸其实和空间光调制器差不多，甚至还用的是液晶，“那就没有太大意义了”。真正的主动式超表面需要在保持亚波长像素尺寸和高衍射效率的同时实现相位调制，这涉及到相变材料、透明电极等多个技术难点，团队正在探索。

这项工作对于量子计算领域的意义，或许正如论文最后所写的：超表面为实现可扩展的中性原子量子技术克服了一个关键障碍。至于这条路能走多远，还要看下一代超表面能否把十万、百万级别的原子阵列从论文里的蓝图变成实验室里的现实。

参考资料：

1.https://www.nature.com/articles/s41586-025-09961-5

2.https://www.nature.com/articles/s41586-025-09641-4

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