十万量子比特量子计算机：美国科学家研发"极强"激光技术|光学|原子|激光技术|美国科学家|量子计算机|阵列

研究人员通过平面纳米透镜成功囚禁1000个锶原子。

美国科学家开发出一项新技术，通过将光学镊子和超表面两大尖端技术融合为单一平台，有望使量子计算机规模突破10万量子比特。哥伦比亚大学副教授塞巴斯蒂安·威尔博士与虞南方博士带领团队整合这两种技术，大幅扩展了"中性原子阵列"的规模。

中性原子阵列利用被称为光学镊子的高度聚焦激光束，将原子囚禁在一维、二维或三维构型中。由于每个原子可充当一个量子比特，该技术被视为构建先进量子计算机最具前景的平台之一。"我们正在为打造超过10万量子比特的量子计算机奠定关键基础，"威尔解释道。研究团队已成功囚禁1000个锶原子，证实该方案远超当前系统规模。

全新量子路径

由于每个原子本质相同，无需大量校准或同步——这一过程对于人工制造的量子比特会随数量增长而越发困难。然而，尽管科学家囚禁原子的技术已有十年历史，大规模操控始终是主要瓶颈。现有光学镊子依赖空间光调制器、声光偏转器等笨重昂贵部件，限制了阵列规模。

加州理工学院近期用此类方法成功囚禁6100个原子。"他们的成果令人惊叹，"威尔评价道，但这距离实现实际量子优势仍有差距。"通过超表面镊子阵列方案，我们希望将中性原子阵列规模进一步扩展，甚至突破10万原子，"威尔透露。研究中，团队用超表面替代传统系统——这种由数百万纳米级"像素点"构成的平面超薄光学器件，在单束激光通过时可同步形成数千（乃至数十万）个紧密聚焦的激光光斑。

"本研究所用超表面可视为数万个平面透镜在同一平面上的叠加，各透镜焦点位置不同，"虞南方表示，"单束激光入射时，一块超表面能同步产生数万个聚焦光斑。"

重大突破

由氮化硅和二氧化钛制成的超表面可耐受超过2000瓦/平方毫米的光强，约为地表太阳光强度的百万倍。参与该项目的研究生袁旭（音译）指出："超表面的高功率承载能力，结合洁净室纳米加工可扩展制造更大更精密器件的特性，使我们的平台独具实现大规模光学镊子阵列的潜力。"

研究团队通过将原子囚禁至多种高度均匀的二维阵列，展示了超表面光学镊子平台的多功能性。这些构型包括1024位点的方晶格、准晶体、数百位点的自由女神像图案，以及原子间距仅1.5微米的圆形阵列。他们还研制出宽3.5毫米、包含超1亿像素的超表面，可生成600×600阵列（总计36万个光学镊子），规模超现有技术两个数量级。