璇相科技发布百万级光镊芯片，联合中器无量完成中性原子平台实测

在中性原子量子计算的扩展竞赛中，光镊阵列是最基础的空间底座。每一个光镊是一束高度聚焦的激光，在真空中形成微型陷阱，把单个冷原子固定在焦点上。原子困不住，后面的装载、重排、操控和读出都无从谈起。

2025 年 9 月，加州理工 Manuel Endres 团队用两台空间光调制器（spatial light modulator, SLM）生成约 12,000 个光镊位点，困住 6,100 个铯原子，创下中性原子阵列的规模纪录。不久后，哥伦比亚大学和清华大学的团队先后用超表面（metasurface）这一路线演示了 36 万和 7.84 万个光镊位点的生成。超表面正在成为突破光镊规模天花板的新选项。

近日，璇相科技发布了一枚百万级超表面光镊阵列芯片，并联合中性原子量子计算公司中器无量在真实实验平台上完成了系统适配与光场验证。一枚指尖大小的芯片，在约 4 毫米直径的工作区域内生成了百万级光镊位点。这是目前公开报道中超表面光镊阵列达到的最大规模。

光镊够不够多，决定了中性原子能走多远

中性原子量子计算的基本做法，是用光镊阵列把冷却后的原子逐个囚禁在真空中，再通过激光将原子激发到高能的里德堡态（Rydberg state），利用原子间的长程相互作用实现量子门操控。QuEra、Atom Computing、Pasqal 等国际公司押注的都是这条路线。

这条路线的扩展性瓶颈，很长一段时间卡在光镊的生成方式上。

主流方案依赖 SLM 或声光偏转器（acousto-optic deflector, AOD）。SLM 的典型像素尺寸在 4 到 20 微米之间，受限于有效数值孔径（numerical aperture, NA），要把光聚焦到足以困住单个原子的微米级焦点，必须借助多级中继光学系统逐级缩小光斑。额外的光学元件意味着功率损耗、像差和视场限制。

加州理工的 6,100 原子实验用了两台 SLM 和 NA 0.65 的物镜，视场直径 1.5 毫米，总激光功率超过 100 瓦。按照哥伦比亚大学团队此前的估算，SLM 大约需要 300 个像素才能稳定生成一个高质量陷阱，一台 4,000×4,000 像素的顶级 SLM 能产生的高均匀性（> 95%）陷阱上限约为 5 万个。AOD 的情况类似，光束几何形状受限，超过万级规模后功率和均匀性都会开始吃紧。

而超表面则提供了一条不同的路径。

把光路写进纳米结构

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，每个纳米柱精确调控穿过它的光波相位。一束激光打上去，数亿个纳米级“像素”协同工作，直接在焦平面上形成预先设计好的光强分布。

（来源：璇相科技）

和 SLM 相比，超表面的像素尺寸可以做到几百纳米，远小于工作波长，意味着更大的有效 NA、更紧致的焦点，以及在同等面积内容纳更多光镊位点的能力。更关键的是，超表面可以跳过中继光学系统，直接把光镊阵列投射到原子工作区域。不过超表面是被动器件，图案制造完成就固定了，动态重排和寻址仍然需要 AOD 等主动器件配合，它解决的是一次性生成大规模光场的问题。

璇相科技此次发布的芯片面向 1064 纳米波段优化，器件口径接近厘米级，有效数值孔径约 0.65，在约 4 毫米直径的有效工作区域内不经中继光路直接生成百万级光镊位点。

数亿个光学单元要在这个尺度上协同工作，还需要同时解决超大规模电磁设计、版图生成、微纳制造和全片一致性等问题。璇相科技为此建立了 AI 辅助仿真与设计工具链，在 GPU 集群上完成光学单元设计、全片版图生成和参数优化。相比自由空间方案中大量分立元件各自需要调光和对准，芯片将光场生成集成在一个平面器件中，系统搭建和维护的复杂度也随之降低。

（来源：璇相科技）

验证到了哪一步

对一枚面向量子系统的光学芯片而言，实验室里的光场测量只是第一步。它还必须在真实原子平台上经受耦合效率、光路几何、物镜视场、成像链路和系统稳定性的考验。

本次验证由璇相科技完成芯片设计和制造，中器无量基于其中性原子实验平台完成了激光器、超大视场物镜、真空腔和测试光路的适配。核心突破之一是解决了传统中继光路在超大视场下的 relay 难题，芯片可以直接将光镊阵列投射至原子工作区域。此外，另一家中性原子量子计算企业太一量生也导入了相关芯片，并完成大规模光镊阵列的独立测量与验证，为芯片在不同系统条件下的性能评估提供了重要参考。

测试使用了数百瓦量级的激光功率链路。阵列均匀性在 90% 量级，但璇相科技强调，当前数字包含了超大视场物镜、真空腔窗口、relay 光路和测量照明链路带来的系统级非均匀性，不能简单等同于芯片本征均匀性。“现阶段的主要波动更多来自测试光路和超大视场成像条件，而非单个光镊的设计能力。”后续将通过平场标定、波前补偿和系统级校正，进一步给出正式的均匀性指标。

需要明确的是，这次验证聚焦于百万级光镊位点在真实平台中的光场生成与系统适配，而不是“已经实现了百万单原子装载”。原子是否被实际装载、装载率和存活时间如何，是下一阶段要解决的问题。

图｜百万级光镊阵列实测结果图（来源：中器无量）

从光镊到量子比特，中间隔着什么

百万个光镊位点是走向大规模原子阵列的前置能力，但要把光镊位点转化为可用的计算资源，系统还需要跨过多道门槛。

第一道是原子装载。当前中性原子系统的单次装载率通常在 50%-60%，要填满一个大规模阵列，需要多轮装载加上实时重排。

第二道是阵列重排和维护，原子会因背景气体碰撞和光子散射而丢失，系统需要持续地检测空位并补充原子。

第三道是量子门操控和读出的保真度，加州理工的实验做到了单量子比特操控 99.98% 的准确率，但双量子比特门的保真度在全行业仍然是瓶颈。再往后是纠错架构的兼容性，这决定了物理量子比特能否转化为逻辑量子比特。

璇相科技对此的判断是：决定可用原子数目的并不只是总激光功率，还包括芯片衍射效率、物镜视场与透过率、真空腔窗口损耗、阵列均匀性、原子装载效率和重排效率等系统因素。光镊芯片解决的是"先把足够多的位点建出来"这一环，原子能否高效入位并稳定工作，仍然取决于光学、装载、操控和控制系统之间的协同。

璇相科技的下一阶段规划分三个方向：提升超大视场物镜和系统光路能力，改善百万级阵列的有效工作区域和光场质量；推进十万级及以上单原子的确定装载、阵列重排和稳定运行验证；围绕芯片化光学器件在原子操控和光场整形中的更多功能展开验证。

公司计划首先聚焦十万级原子阵列这个更具工程可验证性的阶段目标，再逐步解决百万原子阵列所需的工程问题。“现有激光功率与芯片效率具备支撑数十万级原子阵列的潜力，”团队表示，“下一阶段的重点是进一步优化超大视场物镜和系统光路，提高有效视场内的可用光功率与阵列质量。”

过去，大规模光镊阵列被视为精密自由空间光学系统的产物，扩展靠的是搭出更复杂的光路。当部分光场生成能力被做成芯片，问题开始从“怎么搭光路”转向“怎么制造和迭代一类器件”。这对中性原子量子计算意味着一种制造范式的可能转变。

运营/排版：何晨龙

注：封面/首图由 AI 辅助生成