在量子计算的赛道上，数字往往代表着一切。
目前的行业标杆还在为突破1000个量子比特（qubit）的门槛而苦苦挣扎，但哥伦比亚大学的一个物理学家团队，似乎已经找到了通往“十万级”超大规模量子计算的后门。
这项发表于《自然》杂志的突破性研究，并未依赖庞大复杂的传统光学设备，而是将目光投向了一块比硬币还小的玻璃片——超表面。
物理学家塞巴斯蒂安·威尔和于南方通过结合光镊技术与纳米级超表面，成功捕获了超过1000个锶原子，并展示了在单一芯片上生成36万个光陷阱的能力。
这不仅是数量级的飞跃，更预示着量子硬件或许即将迎来它的“集成电路时刻”。
突破瓶颈：当原子遇见纳米像素
要理解这项技术的革命性，首先得明白为什么扩容这么难。
中性原子阵列示意图。图片来源：哥伦比亚大学威尔实验室
目前的量子计算机，无论是谷歌的超导回路还是霍尼韦尔的离子阱，都面临着同一个噩梦：控制系统的复杂性。
每一个额外的量子比特通常都需要一套独立的控制线路或激光束，导致系统越来越庞大，噪音越来越难以抑制。
相比之下，中性原子阵列被视为最具潜力的替代方案。
原子本身就是完美的量子比特，它们在自然界中完全相同，无需像人造电路那样费力校准。
然而，传统的原子捕获方法依赖于空间光调制器（SLM），这种设备就像一个笨重的投影仪，不仅体积大，而且随着光束数量的增加，其分辨率和稳定性会急剧下降。
哥伦比亚大学团队的解决方案，是用一种名为“超表面”的平面光学器件取代这些笨重的透镜。
你可以把超表面想象成一张纳米级的全息底片，上面密密麻麻地排列着数以亿计的微小柱状结构，每个只有几百纳米宽。
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，用于将单个原子捕获到具有任意几何形状的阵列中。图片来源：哥伦比亚大学 Will 和 Yu 实验室
当一束高能激光穿过这块薄片时，这些纳米柱就像无数个微型透镜，精准地将光线塑造成成千上万个独立的高强度光点——也就是所谓的“光镊”。
这种方法的美妙之处在于其惊人的集成度。
于南方教授形象地比喻道，这就像是将数万个透镜叠加在同一个平面上，每一个都拥有独立的焦点。
在实验中，他们展示了一块直径仅3.5毫米的超表面，上面集成了1.14亿个纳米像素，能够瞬间生成一个包含36万个光陷阱的600x600阵列。
这意味着，只要有足够功率的激光，理论上我们就能在指甲盖大小的区域内控制数十万个量子比特。
坚如磐石的光学心脏
这项技术的另一个关键突破在于其耐用性。
量子计算需要极高的精度，而高强度的激光往往会烧毁精密的光学元件。
传统的液晶空间光调制器在面对强激光时十分脆弱，这限制了光镊阵列的总能量，进而限制了能捕获的原子的总数。
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。图片来源：哥伦比亚大学 Yu 实验室
但哥伦比亚大学团队制造的超表面由氮化硅和二氧化钛制成，这两种材料以极其坚硬和耐热著称。
实验数据显示，这种器件能够承受超过2000瓦/平方毫米的激光强度，这相当于地球表面太阳光强度的百万倍。
这种“抗揍”的特性至关重要，因为要同时维持十万个光镊，需要巨大的激光能量输入。
有了这种高功率处理能力，研究人员不再需要担心设备过热或损坏，可以放手增加激光功率，从而捕获更多的原子。
在演示实验中，团队不仅捕获了原子，还玩起了“光之艺术”。
余南方，应用物理与应用数学副教授。图片来源：哥伦比亚大学
他们利用超表面设计了各种复杂的原子排列图案，从简单的正方形晶格，到复杂的准晶体结构，甚至还摆出了一个微型的自由女神像。
这种对原子排列的任意操控能力，对于构建不同类型的量子逻辑门和模拟复杂的量子材料至关重要。
量子霸权的下一章
虽然目前团队实际捕获的原子数量还在一千个左右，但这主要是受限于实验室现有激光器的功率，而非超表面本身的能力。
塞巴斯蒂安·威尔对此充满信心，他表示：“要捕获十万个原子，我们只需要一台功率更大的激光器，这在当前的技术范围内完全是可以实现的。”
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
这项技术的意义远不止于制造更快的计算机。
大规模的中性原子阵列是模拟量子多体物理的理想平台，可以帮助科学家解开高温超导等未解之谜。
此外，这种高精度的原子控制技术还可以用于制造便携式的光学原子钟，让超高精度的计时设备走出实验室，应用到深空探测或高精度导航中。
这一突破也让量子计算领域看到了类似半导体行业的“摩尔定律”曙光。
超表面与一美分硬币的对比。图片来源：哥伦比亚大学 Will 和 Yu 实验室
通过利用半导体制造工艺（如深紫外光刻）来批量生产超表面，量子芯片的成本可能大幅降低，而集成度却能指数级上升。
哥伦比亚大学的这项成果，实际上是将量子计算的竞争从单纯的物理学实验，拉入了微纳制造的领域。
当原本需要摆满整个光学平台的设备被压缩进一片薄薄的芯片时，我们有理由相信，那台拥有10万量子比特、能够真正解决现实世界复杂问题的超级量子计算机，距离我们已经不再遥远。
正如威尔所言，这不只是数量的堆砌，这是为整个量子大厦奠定了全新的地基。
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