可扩展中性原子阵列技术获验证 为构建10万量子比特计算机奠定基础

目前最先进的量子计算机约有1000个量子比特，而美国哥伦比亚大学团队正试图将这一数字提升两个数量级以上。他们首次将光镊与超表面技术结合，提出并验证了一种可扩展的中性原子阵列技术，为构建超过10万个量子比特的量子计算机奠定基础。相关成果发表在新一期《自然》杂志上。

中性原子阵列是构建量子计算机的新兴平台。研究团队在实验中俘获1000个锶原子，并验证该方法可在原理上扩展至10万个以上，这些原子未来或可作为量子比特使用。

原子在量子计算中具有天然优势，可稳定呈现量子叠加和纠缠等特性，且彼此完全一致，无需像固态量子比特那样校准与同步。但难点在于如何实现大规模精确操控。

过去十多年，科学家通常利用空间光调制器或声光偏转器生成光镊阵列。单个光镊是一束高度聚焦的激光，可将单个原子固定在焦点上，阵列则由许多光镊组成，但设备复杂、体积庞大，限制了阵列规模。

此次研究中，超表面像素尺寸小于200纳米，远低于所操控的520纳米激光波长，可在无需额外光学系统的情况下同时生成成千上万个聚焦点。研究人员表示，这种超表面相当于在同一平面上集成了成千上万个微型透镜，可一次性产生大规模光镊阵列。

此外，超表面由氮化硅和二氧化钛制成，可承受超过2000瓦/平方毫米的激光强度，约为地表太阳光的100万倍，这为大规模俘获原子提供了条件。

实验中，团队构建了多种高度均匀的二维原子阵列，还制备了一块直径3.5毫米，包含超过1亿个像素的超表面，可生成600×600阵列，总计36万个光镊，规模比现有技术提升两个数量级。

该技术不仅有望推动大规模量子计算发展，还可应用于量子模拟和高精度光学原子钟等中性原子量子技术。