用納米超表面捕獲原子，哥大團隊讓量子陣列規模暴漲100倍

量子計算的擴展性瓶頸，困擾著全球的研究團隊。如何把更多原子穩穩地“夾”在激光束形成的微型陷阱里，如何讓這些陷阱的數量從幾百個躍升到成千上萬甚至更多——這是中性原子量子計算領域繞不過去的一道坎。

哥倫比亞大學物理系的 Sebastian Will 實驗室與應用物理系的虞南方（Nanfang Yu）實驗室近日在《自然》（Nature）上發表的一項工作，給出了一個可能改變游戲規則的答案：用全息超表面（holographic metasurface）生成光鑷陣列，實現了鍶原子的單原子俘獲，并在實驗中組裝出包含數百個單原子的二維陣列；同時在純光學表征中演示了一個包含 36 萬個光學陷阱的陣列。

圖丨相關論文（來源：Nature）

這項研究的核心技術并不是光鑷本身。光鑷，也就是用高度聚焦的激光束來捕獲和操控微觀粒子，早在 1997 年就讓朱棣文等科學家獲得了諾貝爾物理學獎。

過去十年間，光鑷陣列技術突飛猛進，成為中性原子量子計算的主流方案之一。QuEra、Atom Computing、Pasqal 等公司都在押注這條技術路線，哈佛、MIT、加州理工等頂尖實驗室也在這一領域深耕。

就在 2025 年 9 月，加州理工的 Manuel Endres 團隊剛剛創下了用液晶空間光調制器（liquid-crystal spatial light modulator，SLM）生成的光鑷陣列捕獲 6,100 個銫原子量子比特的紀錄。但無論是空間光調制器還是聲光偏轉器（acousto-optic deflector，AOD），都面臨一個根本性的限制：像素尺寸太大，調控能力有限。

典型的空間光調制器像素尺寸在 4 到 20 微米之間，這直接限制了有效數值孔徑（numerical aperture，NA），也就是說，設備能夠聚焦光束的角度范圍存在天花板。想要獲得足夠緊致的光鑷陷阱來捕獲單個原子，必須借助額外的縮放光學系統，而這些光學元件本身又會引入像差、功率損耗和視場限制。

哥倫比亞大學團隊的做法是另起爐灶。超表面是一種由亞波長尺度的納米柱陣列構成的平面光學器件，每個納米柱都可以精確地調控穿過它的光波的相位。當一束激光打在超表面上時，這些密密麻麻的納米“像素”協同工作，直接在焦平面上生成所需的光強分布圖案，也就是光鑷陣列。

由于像素尺寸可以做到幾百納米（本工作中為 290 納米），遠小于工作波長（520 納米），超表面能夠實現高達 0.6 以上的有效數值孔徑，無需任何中繼光學元件就能直接聚焦出亞微米尺度的陷阱。

圖丨超表面光學鑷子陣列及其與超冷原子的集成（來源：Nature）

研究團隊的核心成員之一、哥倫比亞大學博士許淵在接受 DeepTech 采訪時這樣解釋超表面的優勢：“我們用大概五瓦的激光生成 1,000 個陷阱，每個陷阱能達到三毫瓦的深度，基本上 60％ 的能量都能利用起來。傳統方法的能量利用率通常只有 30％ 左右。”

這種效率上的差異意味著什么？許淵給出了一個直觀的對比。2025 年加州理工那篇 Nature 文章里，團隊用 130 瓦激光實現了囚禁 6,100 個原子的陷阱。而哥倫比亞大學的實驗室激光只有不到5瓦，卻能做出 1,000 個有效陷阱。

雖然兩個團隊所使用的原子種類有所差別，加州理工用的是銫原子，許淵團隊用的是鍶原子，后者的魔術波長（magic wavelength）條件更苛刻，但核心信息非常明確：超表面方案在單位功率下能夠生成更多的有效陷阱。

許淵進一步說：“超表面本身能夠生成的陷阱數量可以非常多。我們這次做 36 萬個陷阱，主要瓶頸就是激光功率不夠。如果能用到百瓦甚至更高量級的激光，陷阱數量還能大幅提升。”

激光功率確實是目前的主要瓶頸。團隊的計算表明，一個原子大約需要 2 到 3 毫瓦的陷阱功率才能被穩定束縛。要做到十萬個原子的規模，需要 200 瓦量級的激光；百萬級則需要千瓦量級。

好消息是，高功率激光技術正在快速發展。許淵提到，中科院上海光機所孵化的激光企業（頻準激光）已經可以做到數百瓦的激光量級，團隊下一步計劃用 200 瓦左右的激光來實現十萬個原子的陣列。

材料選擇是超表面設計中另一個關鍵考量。團隊并行開發了兩種材料平臺：富硅氮化硅（silicon-rich silicon nitride，SRN）和二氧化鈦（TiO?）。許淵解釋道：“二氧化鈦在可見光波段是最優的材料。

在 520 納米波長下完全沒有吸收，2,000 瓦以上的功率打在一平方毫米的區域上也不會有吸收和損耗——這相當于我們平時出門所曬到的太陽光強度的一百萬倍。”

但二氧化鈦的折射率相對較低（約 2.4），對于更長波長的應用（如 1,060 納米）會面臨挑戰。氮化硅則能夠覆蓋從 500 納米到近紅外的寬波段，適用于多種原子。”復用性上氮化硅更好，能夠擴展到更多波長；在極致的能量表現上，二氧化鈦更優。

團隊下一步的十萬級工作會用 SRN 來做，因為計劃轉向銫原子（Cesium），而銫原子最成熟的激光資源集中在 1,060 納米波段。

超表面方案的一大亮點是為中性原子量子技術走向大規模實用化開辟了全新的"芯片級"量產路徑。許淵表示，空間光調制器的價格差不多在數十萬人民幣左右，整個光學系統的成本則來到了百萬人民幣以上。而超表面即便是實驗室小批量制作，一片的成本也就數萬人民幣；如果利用半導體工業常見的晶圓廠量產流程，單片成本可以降到幾十塊甚至更低。

不過他也坦言：“價格其實是其次的，既然做量子計算，成本不會是首要考量，效果才是第一位的。”

除去成本之外，“芯片級”路徑帶來的另一大優勢便是極佳的可復制性：“我們制作的許多芯片無需任何調試，一次成片即可正常工作。這在 SLM 上幾乎無法實現，因為 SLM 的像素尺寸較大、數值孔徑有限，其直接生成的圖案難以滿足使用要求，必須借助多級中繼光學系統進行逐步縮小，這又帶來了許多額外的相差和擾動，必須根據實際效果進行多次相位圖優化和迭代，才能產生可用的光學圖案。”

研究數據顯示，超表面陣列的均勻性可以與現有技術媲美甚至更優。團隊用單個鍶原子作為探針來表征陣列特性，測得陷阱深度的不均勻性為 7.5％，徑向和軸向陷阱頻率的不均勻性分別為 5％ 和 8％，位置精度偏差約為 60 納米——與鍶原子基態振動波函數的展寬相當。

許淵在采訪中提到，如果去除中繼光學系統，直接把超表面放在真空腔內成像，理論上均勻性可以做到 2％ 甚至更低。“我們的系統在架構上比較簡單，本質上就是一個光學全息圖。整個光學過程可以在模擬中完美重現，模擬結果和實驗結果基本沒有差別。”

圖丨通過原子響應表征超表面陣列的均勻性（來源：Nature）

但當前方案也面臨工程挑戰。普通的真空腔側壁厚度至少要 6 毫米以上。如果超表面要直接放在真空腔內工作，考慮到數值孔徑和焦距的關系，超表面的口徑可能需要做到 1 到 2 厘米。而用電子束光刻（electron-beam lithography，EBL）寫這么大面積的圖案，時間會從幾小時延長到一兩天，期間出現缺陷的概率也會增加。

“如果能用硅基材料走晶圓級工藝，尺寸就不再是限制了。”團隊正在探索多晶硅作為替代材料的可能性。

這個項目從 2019 年立項到最終發表，走過了將近七年。論文作者之一吳家昊回憶說，這個項目“幾乎貫穿了許淵的整個博士生涯，從申請博士時提出想法、撰寫 proposal，到五年間見證項目從立項走向收尾”。其間還有一段讓團隊哭笑不得的經歷。

2023 年前后，實驗進入了一個詭異的僵局，芯片怎么做都做不好，團隊花了大半年時間 debug，做了十幾批樣品，把儀器問題、工藝參數、環境因素全都排查了一遍，始終找不到原因。直到最后才發現，原來是因為 2019 年立項時采購的試劑，到 2023 年已經過期了。

圖丨從左到右依次是：虞南方、許淵、吳家昊（來源：研究團隊）

回到研究本身，目前中性原子量子計算的擴展性競爭正在升溫。業界主流的擴展方案，無論是 QuEra 強調的動態原子重排和糾錯能力，還是 Atom Computing 與微軟合作展示的 24 個邏輯量子比特糾纏，都依賴于聲光偏轉器或空間光調制器來生成光鑷陣列。這些主動式器件的優勢在于可編程性，即可以在運行時動態調整陣列圖案。

但它們的像素尺寸限制了可擴展性，按照研究團隊的估算，大約需要 300 個像素才能穩定生成一個高質量陷阱。這意味著一個 4,000×4,000 像素的頂級空間光調制器，能夠產生的高均勻性（＞95％）陷阱數量上限約為 5 萬個。而超表面的像素數量可以輕松超過 12,000×12,000 甚至更多，理論上能夠生成 50萬乃至百萬個以上的陷阱。

當然，超表面方案也有其局限性。作為被動式器件，一旦制造完成，圖案就固定了。團隊目前的解決辦法是在同一個基底上制作多個不同圖案的超表面，通過移動基底來切換陣列幾何形狀。

團隊在采訪中也提到，主動式超表面是虞南方教授實驗室一直追求的“皇冠上的明珠”，但目前市面上聲稱的“主動式”超表面，像素尺寸其實和空間光調制器差不多，甚至還用的是液晶，“那就沒有太大意義了”。真正的主動式超表面需要在保持亞波長像素尺寸和高衍射效率的同時實現相位調制，這涉及到相變材料、透明電極等多個技術難點，團隊正在探索。

這項工作對于量子計算領域的意義，或許正如論文最后所寫的：超表面為實現可擴展的中性原子量子技術克服了一個關鍵障礙。至于這條路能走多遠，還要看下一代超表面能否把十萬、百萬級別的原子陣列從論文里的藍圖變成實驗室里的現實。

參考資料：

1.https://www.nature.com/articles/s41586-025-09961-5

2.https://www.nature.com/articles/s41586-025-09641-4

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