量子技術大飛躍：新技術可能實現10萬量子比特計算機

科學家們將光學鑷子與超曲面結合，捕獲了1000多個原子，并有可能捕獲更多數十萬個，這項新技術可能實現10萬量子比特的量子計算機

中性原子陣列的示意圖，圖片來源：哥倫比亞大學

量子計算機只有在能夠使用更多量子比特（稱為量子比特）時，才能超越經典機器。目前最先進的系統大約包含1000個量子比特，但哥倫比亞大學物理學家塞巴斯蒂安·威爾和余南芳正致力于實現更大規模的規模。

他們正在為實現超過10萬個量子比特的量子計算機奠定關鍵基礎。在發表在《自然》雜志上的一篇新論文中，威爾和余將兩種強大的技術——光學鑷子和超曲面結合起來，大幅擴展了中性原子陣列的規模。

繞過量子比特瓶頸的路線

中性原子陣列已成為構建量子硬件的領先方法之一。在Will和Yu研究組的研究生Aaron Holman和Yuan Xu領導的關鍵演示中，團隊成功捕獲了1000個鍶原子。他們的結果還表明，同樣的技術可以擴展到包含超過10萬個原子的系統。

原子非常適合作為量子比特，因為它們自然支持計算所需的量子行為，包括疊加和糾纏。同樣重要的是，同一類型的每個原子都是相同的。這消除了對量子比特進行單獨調諧和同步的需求，而這對制造系統來說隨著體積增大而面臨的挑戰日益增加。

原子是自然界的量子比特;完全相同且極其豐富。瓶頸一直是如何大規模控制它們。

從光學鑷子到平面光學

在過去十年里，研究人員一直依賴光學鑷子陣列來捕捉單個原子。光學鑷子是一種高度聚焦的激光束，其焦點固定著單個原子。

大型陣列通過產生大量此類光束形成，通常使用空間光調制器（SLM）或聲學光學偏轉器（AOD）。利用這些工具，加州理工學院的一個團隊最近創建了包含6100個被捕獲原子的陣列，并證明它們可以作為量子比特發揮作用。

通過超表面鑷子陣列方法，研究人員希望將中性原子陣列擴展得更遠，甚至超過10萬個原子。

哥大應用物理與應用數學副教授余南芳

這種縮放來自一種根本全新的光學鑷子陣列生成方法：元曲面。超曲面是由納米級“像素”組成的平面光學器件。當單束光通過中介曲面時，像素會將其塑造成獨特的圖案。

在當前的研究中，像素遠小于它們所控的光的波長：不到200納米，而鑷子使用的光波長為520納米。這意味著他們可以直接生成鑷子陣列;SLM和AOD方法需要額外設備，這些設備體積龐大、昂貴，且限制了陣列的最終尺寸。

這項工作中使用的超曲面可以被視為數萬個平面透鏡在同一平面上的疊加，且其焦點位置不同，因此在激光束入射時，一個中曲面可以同時產生數萬個焦點。

實驗裝置中創建元表面原子鑷子陣列

為動力與精準而造

這些超曲面由氮化硅和二氧化鈦制成，還能承受光強超過2000瓦/平方毫米的極強激光——這大約是陽光到達地球時的一百萬倍。超曲面的高功耗處理能力，加上潔凈室納米制造越來越大更精密設備的可擴展性，使研究人員的平臺具備實現大規模可擴展光學鑷子陣列的能力。

在論文中，團隊通過將原子捕獲到多個高度均勻的二維陣列中，展示了元表面光學鑷子平臺的多功能性。這些模式包括一個包含1024個位點的方格;帶有數百個遺址的準水晶和自由女神像圖案;以及一個由間距不到1.5微米的原子組成的圓圈。

團隊還創建了一個直徑3.5毫米、包含超過1億像素的元曲面，生成一個600 x 600的陣列：總共36萬個光學鑷子，這比現有技術的能力高出兩個數量級。

巨大的原子陣列的應用前景

威爾和余認為中性原子陣列的可擴展性有現實可行的路徑，這不僅可能惠及量子計算機，還可能惠及其他中性原子量子技術，如幫助科學家模擬復雜量子多體現象的量子模擬器，以及可部署于實驗室外的精確光學原子鐘。

1024個原子的網格，以及每個原子間距低于1.5微米的圓圈

接下來團隊準備挑戰更多原子。為此，他們只需要更大的激光頭。要困住十萬個原子，他們需要比現在更強大的激光。