量子计算前沿：6100 个高相干原子光镊阵列与 AOD 精密控制技术解析

随着 2025 年 “国际量子科学与技术年” 落幕量子力学的百年发展完成历史性接力。步入 2026 年量子科学热度持续攀升在全球投资激增与关键技术突破的双重驱动下快速发展。量子计算机作为创新最活跃的前沿领域离子阱、中性原子、光量子、超导、硅基半导体等多条技术路线并行发展在不同应用场景形成互补格局推动量子计算从实验室验证向产业化关键跃迁。随着量子比特数量不断扩展实现对每个独立量子比特的高保真度、高速光学操作成为当前量子计算领域的核心技术难题。2025 年秋季Optics.org Quantum Focus 特刊中英国声光领域标杆企业 Gooch HousegoGH介绍了其在量子控制领域精密光子技术的领先优势。GH 量子领域解决方案涵盖声光偏转器 AOD、声光调制器 AOM、多通道架构 AOMC可实现高速量子比特寻址、光束转向与移频对冷原子操控、离子阱控制、光子与量子比特相互作用具有关键支撑作用。2025 年《Nature》刊发论文《A tweezer array with 6,100 highly coherent atomic qubits》引发学术关注。加州理工学院研究团队构建光镊阵列成功囚禁 6100 个高相干中性原子比特突破此前同类阵列仅能容纳数百个量子比特的技术限制。一、“动静” 光镊协同技术方案该研究在室温真空腔中采用远失谐波长1055nm 1061nm对铯 - 133 原子进行高功率囚禁。研究团队创新融合两种 “动静结合” 光镊技术以空间光调制器SLM构建大规模静态光镊阵列可产生近 12000 个阱位同时以声光偏转器AOD作为高灵活度动态光镊精准完成原子重构、寻址与高效传输。图 1 大规模铯原子光镊阵列的捕获情况a 单次实验中光镊随机加载原子的快照b 16000 次实验迭代后的平均图像二、分区量子计算方案研究团队提出基于功能分区的量子计算方案整体架构分为存储区Storage、相互作用区Interaction、读取区Readout。在存储区中铯原子量子比特通过 AOD 完成重构将 SLM 阵列中随机填充的原子规整排列实现 12.6s 超长相干时间。依托 AOD 动态寻址功能存储区内任意位置原子可从 SLM 静态存储位点高保真转移至 AOD 动态势阱并在 500μm 范围内相干运输至对应功能区域。图 2 具备 6100 个原子的分区式通用量子处理器布局构想存储区内任意位置的原子均可通过 AOD 在 500μm 以内被输运至相互作用区或读取区。三、AODF 4085 性能解析研究中先将原子装载到 10 个 AOD 光镊中对约 610μm 相干移动过程进行表征保真度达 99.95%为大规模量子纠错奠定基础。铯原子光镊转移过程中光阱转移保真度达 99.81 (3)%核心依托 GH 红外波段 AODF 4085 的优异性能。该器件具备 30MHz 射频带宽单轴覆盖范围可达 500–600μm15mm 大输入孔径赋予其高光学分辨率可构建高梯度、强囚禁的动态光镊势阱。图 3左十个光镊位点在沿对角线蓝色或直线粉色移动时的示意图及原子存活率。尽管直线移动路径更短但受柱状透镜效应影响执行速度慢于对角线移动。 右GH AODF 4085 实物照片GH AODF 4085 核心参数声光晶体材料TeO₂晶体声速0.705 mm/μs波长范围750-1064 nm有效孔径直径 15 mm射频范围 扫描角度1064 nm 55-85 MHz 45.3 mrad射频平坦度-2 dB最小衍射效率70%目标值四、对角线扫描策略为实现超高原子运输保真度研究团队采用一对正交 AOD 4085通过对角线扫描方案降低柱面透镜效应。AOD 偏转角度与射频信号频率一一对应快速切换衍射角度运输原子时晶体内部产生瞬时 “频率梯度”导致一级衍射光斑在扫描轴向出现类透镜畸变即柱面透镜效应。该畸变会破坏光镊势阱对称性导致原子高速传输中易脱离束缚限制 AOD 整体扫描速度。研究团队创新性采用二维 AOD 扫描系统实现对角线移动策略替代传统 X、Y 双向光镊移动方式。两个正交 AOD 4085 协同工作对角线移动时光镊在 x、y 方向以相同速率移动将柱面透镜效应转化为球面透镜效应大幅降低畸变影响。依托该策略研究团队在不牺牲速度的前提下实现高保真度移动1.6ms 内完成 610μm 原子传输原子相干性几乎无损失。图 4 基于对角线移动的分区架构示意图展示与 AOD 对角线移动兼容的分区布局。每条与特定 AOD 关联的箭头表示声频增加方向上的衍射轴。实现垂直方向红色移动需使用 AODx 和 AODy水平方向绿色移动需使用 AODx’和 AODy。量子技术的重大突破离不开精密光学器件的底层支撑。GH AOD 在 610μm 尺度下实现的原子精准调度不仅验证了器件的物理性能极限更为未来大规模量子比特阵列的动态互联提供了可行技术路径。参考文献1. Manetsch, Hannah J., et al. A tweezer array with 6,100 highly coherent atomic qubits. Nature 647.8088 (2025): 60-67.2.Manetsch, Hannah J., et al. Supplementary Information. Supplement to A tweezer array with 6,100 highly coherent atomic qubits, Nature, vol. 647, 2025.