科學家提出中性原子量子計算新方案，實現對單個原子的獨立操控

近期，中國科學院精密測量科學與技術創新研究院詹明生研究員、許鵬研究員團隊提出了一種基于光纖陣列的中性原子量子計算新架構，實現了對單個原子的獨立操控和高保真度量子門操作，即讓每個量子比特各有“一束光”。

實驗中，研究人員成功地在二維光鑷中捕獲并獨立操控了 10 個單原子，并實現了平均保真度 0.9966（3）的單量子比特門操作。值得關注的是，他們還在 4 個隨機選擇的量子比特上同時實現了任意單量子比特門操作，平均保真度高達 0.9961（4）。

此外，研究團隊還在光纖陣列捕獲的兩個原子之間實現了里德堡阻塞效應（注：里德堡阻塞是一種量子現象，當兩個原子處于特定量子態時，會因相互作用而阻止同時激發，該現象與能否實現高保真度的兩量子比特門操作密切相關）。

許鵬研究員對 DeepTech 表示：“我們的研究是從底層架構層面為原子量子計算探索出一條新的架構路線，未來有望通過集成光子學等技術進行擴展?！?/p>

這種新的技術路線，為滿足未來大規模容錯的需求和現階段 NISQ（Noisy Intermediate-Scale Quantum，含噪中型量子）時代對不同算法的匹配需求提供了一種解決方案。

圖丨實驗裝置圖（來源：許鵬）

與論文一起公開的審稿人意見對該研究評價稱：“這是一項出色的工作，為構建中性原子量子計算機提供了新途徑。我認為該研究對量子計算領域具有重要而直接的貢獻，同時也將對量子模擬、光–物質相互作用以及量子信息科學的研究產生廣泛影響?！?/p>

近日，相關論文以《一種用于原子量子計算的光纖陣列架構》（A fiber array architecture for atom quantum computing）為題發表在 Nature Communications[1]。中國科學院精密測量科學與技術創新研究院李瀟助理研究員是第一作者，詹明生研究員和許鵬研究員擔任共同通訊作者。

圖丨相關論文（來源：Nature Communications）

許鵬研究員從博士期間就開始單原子操控的相關研究。2017 年，盡管團隊在 Physical Review Letters 報道了兩個異核原子（即兩個不同原子）糾纏的實驗，但此后他們發現，尋址（注：精準點名每個量子比特）仍存在一定困擾。隨后，他們繼續將原子擴展到異核單原子陣列（2022 年 Physical Review Letters），并致力于進一步提高原子的保真度。

2022 年，研究人員發現傳統方式在尋址時需要將光聚焦到單個原子上，但隨著時間推移，光與原子的位置無法始終保持精準重合，導致保真度下降。需要指出的是，這種方式會帶來另一個問題：光聚焦到原子上時，通常只能逐個或逐行操作，導致對不同原子執行不同量子門操作時效率較低。

那么，如何既能讓原子和光很好地對準，又能實現并行的任意操控呢？

（來源：Nature Communications）

在本次研究中，研究人員通過光纖陣列將光束聚焦在真空腔內，形成光鑷陣列。他們巧妙利用單原子是由激光囚禁這一原理，將囚禁光和操控光用同一根光纖進行耦合后，實現了囚禁光（形成光鑷）和操控光（執行量子門操作）在空間中的位置始終一致，從而保證原子始終被操控光所定位。許鵬研究員指出，這解決了傳統架構中因獨立光路引起的相對位置漂移問題，并為作用于原子的操控光場與囚禁原子位置之間長期、穩定的對準精度提供了保障。

更進一步地，研究人員將每根光纖與每個原子對應控制，每根光纖后分別設置不同的操控光路，為每個光路能夠獨立操控提供了保障。基于此，解決了并行和任意操控的問題。

實際上，在研究過程中研究人員面臨不少挑戰，例如相干性能。在該實驗系統中，由于原子溫度較高，導致原子的退相干較為嚴重。為此，研究人員在系統中采用團隊在此前工作中發展的單原子魔幻光強偶極阱技術[2]，通過調控激光的偏振使微分光頻移盡可能減小，從而使相干時間得到了數量級上的提升，也為后續保真度的提高奠定了基礎。

（來源：Nature Communications）

此外，在實驗初期由于研究人員將操控光聚焦得過小，導致原子感受到的光強不均勻，因此在操控保真度提升方面“卡”了很久。為此，研究團隊采用了一種創新的方案。考慮到操控光與囚禁光的波長不同，他們利用一個鍍膜小孔來解決該問題。

許鵬研究員解釋說道：“這個小孔的巧妙之處在于，它能夠透過 830 納米的囚禁光，但只能允許 795 納米的操控光中間的一部分透過。也就是說，相當于把操控光的光斑稍微擴大一些，利用小孔的效應在原子聚焦位置對操控光進行放大?；诖?，原子感受到更均勻的光強，從而顯著提升了操控保真度?！?/p>

據介紹，實施該方案的過程也尤為重要，一方面需要考慮光斑不能擴得太大，否則會引入串擾；另一方面也不能太小，否則對光強均勻性的提升效果不明顯。

（來源：Nature Communications）

盡管在本次研究中取得了不錯的進展，但仍有一些問題需要在后續研究中繼續提升。例如，兩比特門的保真度仍需提升，目前尚未實現囚禁光和操控光同時對準原子，他們將進一步優化和探索合適的方法。此外，研究團隊在將該系統擴展到千比特甚至萬比特方向已進行了初步探索。

他們希望構建一個可切換到三維光波導的光纖陣列。據介紹，其計劃通過器件設計的優化和制造工藝的提升，理論上能夠達到滿足原子操控所需要的激光調制要求，包括光的幅度調節、相位調節和偏振調節等。

“我們可以暢想，原子體系最終可能發展成桌面型的原子量子計算機。隨著芯片技術的進一步提升，未來甚至有望做得更小，但性能依然可以達到對幾千個物理比特進行完全操控的能力。”許鵬研究員表示。

參考資料：

1.Li, X., Hou, JY., Wang, JC. et al. A fiber array architecture for atom quantum computing. Nat Commun 16, 9728 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-64738-8

2.Yang, J.; He, X.; Guo, R.; Xu, P.; Wang, K.; Sheng, C.; Liu, M.; Wang, J.; Derevianko, A.; Zhan, M. Coherence Preservation of a Single Neutral Atom Qubit Transferred between Magic-Intensity Optical Traps. Phys Rev Lett 2016, 117 (12), 123201. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.117.123201. 3.https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.128.083202.