量子技术大飞跃：新技术可能实现10万量子比特计算机

科学家们将光学镊子与超曲面结合，捕获了1000多个原子，并有可能捕获更多数十万个，这项新技术可能实现10万量子比特的量子计算机

中性原子阵列的示意图，图片来源：哥伦比亚大学

量子计算机只有在能够使用更多量子比特（称为量子比特）时，才能超越经典机器。目前最先进的系统大约包含1000个量子比特，但哥伦比亚大学物理学家塞巴斯蒂安·威尔和余南芳正致力于实现更大规模的规模。

他们正在为实现超过10万个量子比特的量子计算机奠定关键基础。在发表在《自然》杂志上的一篇新论文中，威尔和余将两种强大的技术——光学镊子和超曲面结合起来，大幅扩展了中性原子阵列的规模。

绕过量子比特瓶颈的路线

中性原子阵列已成为构建量子硬件的领先方法之一。在Will和Yu研究组的研究生Aaron Holman和Yuan Xu领导的关键演示中，团队成功捕获了1000个锶原子。他们的结果还表明，同样的技术可以扩展到包含超过10万个原子的系统。

原子非常适合作为量子比特，因为它们自然支持计算所需的量子行为，包括叠加和纠缠。同样重要的是，同一类型的每个原子都是相同的。这消除了对量子比特进行单独调谐和同步的需求，而这对制造系统来说随着体积增大而面临的挑战日益增加。

原子是自然界的量子比特;完全相同且极其丰富。瓶颈一直是如何大规模控制它们。

从光学镊子到平面光学

在过去十年里，研究人员一直依赖光学镊子阵列来捕捉单个原子。光学镊子是一种高度聚焦的激光束，其焦点固定着单个原子。

大型阵列通过产生大量此类光束形成，通常使用空间光调制器（SLM）或声学光学偏转器（AOD）。利用这些工具，加州理工学院的一个团队最近创建了包含6100个被捕获原子的阵列，并证明它们可以作为量子比特发挥作用。

通过超表面镊子阵列方法，研究人员希望将中性原子阵列扩展得更远，甚至超过10万个原子。

哥大应用物理与应用数学副教授余南芳

这种缩放来自一种根本全新的光学镊子阵列生成方法：元曲面。超曲面是由纳米级“像素”组成的平面光学器件。当单束光通过中介曲面时，像素会将其塑造成独特的图案。

在当前的研究中，像素远小于它们所控的光的波长：不到200纳米，而镊子使用的光波长为520纳米。这意味着他们可以直接生成镊子阵列;SLM和AOD方法需要额外设备，这些设备体积庞大、昂贵，且限制了阵列的最终尺寸。

这项工作中使用的超曲面可以被视为数万个平面透镜在同一平面上的叠加，且其焦点位置不同，因此在激光束入射时，一个中曲面可以同时产生数万个焦点。

实验装置中创建元表面原子镊子阵列

为动力与精准而造

这些超曲面由氮化硅和二氧化钛制成，还能承受光强超过2000瓦/平方毫米的极强激光——这大约是阳光到达地球时的一百万倍。超曲面的高功耗处理能力，加上洁净室纳米制造越来越大更精密设备的可扩展性，使研究人员的平台具备实现大规模可扩展光学镊子阵列的能力。

在论文中，团队通过将原子捕获到多个高度均匀的二维阵列中，展示了元表面光学镊子平台的多功能性。这些模式包括一个包含1024个位点的方格;带有数百个遗址的准水晶和自由女神像图案;以及一个由间距不到1.5微米的原子组成的圆圈。

团队还创建了一个直径3.5毫米、包含超过1亿像素的元曲面，生成一个600 x 600的阵列：总共36万个光学镊子，这比现有技术的能力高出两个数量级。

巨大的原子阵列的应用前景

威尔和余认为中性原子阵列的可扩展性有现实可行的路径，这不仅可能惠及量子计算机，还可能惠及其他中性原子量子技术，如帮助科学家模拟复杂量子多体现象的量子模拟器，以及可部署于实验室外的精确光学原子钟。

1024个原子的网格，以及每个原子间距低于1.5微米的圆圈

接下来团队准备挑战更多原子。为此，他们只需要更大的激光头。要困住十万个原子，他们需要比现在更强大的激光。