量子计算迈向十万比特的关键一步

研究人员找到了一条现实可行的技术路径，让中性原子量子比特的规模从“千级”直接迈向“十万级”。关键突破不在原子本身，而在于如何用一种更简单、更稳定的方式，同时生成和控制海量光镊。

中性原子阵列示意图。图片来源：哥伦比亚大学威尔实验室

现在制约量子计算机能力的，不是单个量子比特能不能工作，而是数量是否足够多、是否能被统一操控。主流量子平台中，最先进的系统也不过一千个左右量子比特，距离真正超越传统计算机仍有数量级差距。

中性原子阵列一直被认为是最有潜力走向大规模的路线之一。原因很直接：原子天生具备量子特性，而且同一种原子完全一致，不需要像固态量子比特那样逐个调校。但真正的瓶颈始终存在——怎么一次性“抓住”足够多的原子，并把它们放在精确的位置上。

示意图展示了超表面如何一步将单束光分割成多束聚焦光束。这些光束构成一系列光镊

研究人员这次做的事情，是把两种成熟但此前分离使用的技术合并在了一起。第一种是光镊，也就是利用高度聚焦的激光束，把单个原子固定在空间中的某个点位。第二种是超表面，一种由大量纳米级结构组成的平面光学器件，可以在极薄的尺度上精确操控光的传播方式。

过去，想要生成大规模光镊阵列，通常依赖空间光调制器或声光偏转器。这些设备体积大、成本高，而且随着阵列规模增大，系统复杂度迅速上升，最终限制了可扩展性。

图中所示为直径 3.5 毫米的超表面，包含 1.14 亿个纳米柱状像素，是迄今为止制造的最精确的可见光超表面之一。

超表面的思路完全不同。它不需要逐点“扫描”或动态调整，而是在一块平面器件上预先编码光的结构。当一束激光穿过超表面时，会被一次性分割并聚焦成成千上万个光镊焦点，每一个焦点都可以捕获一个原子。

在实验中，研究团队已经稳定捕获了超过一千个原子，并证明这种方法在原理上可以自然扩展到十万级别。更重要的是，这种扩展并不依赖复杂的新物理机制，而主要受限于激光功率和器件尺寸——这在现有工程条件下是可以逐步解决的。

用于构建超表面原子镊子阵列的实验装置。图片来源：哥伦比亚大学威尔实验室

为了验证平台的可控性，研究人员将原子排列成多种不同几何结构，包括规则晶格、准晶结构以及复杂的任意图案。这说明系统不仅能“多”，还能“准”，满足量子计算和量子模拟对精度的基本要求。

超表面与一美分硬币的对比。

从更长远的角度看，这项工作并不只是为量子计算服务。大规模中性原子阵列同样适用于量子模拟、精密测量，甚至未来可能用于可部署的高精度原子钟系统。它解决的是一个共性问题：如何在不指数级增加系统复杂度的前提下，控制数量极其庞大的量子对象。

研究团队成功地将原子捕获成多种图案，包括自由女神像图案、准晶体图案、由1024个原子组成的网格。

接下来要做的事情其实很清晰：更强的激光、更大的超表面、更高的原子装载效率。如果这些工程条件逐步到位，十万量级的中性原子量子系统，不再只是理论设想。