《自然》：量子領(lǐng)域重大突破：新技術(shù)有望實(shí)現(xiàn)10萬量子比特計(jì)算機(jī)

在量子計(jì)算的賽道上，數(shù)字往往代表著一切。

目前的行業(yè)標(biāo)桿還在為突破1000個(gè)量子比特（qubit）的門檻而苦苦掙扎，但哥倫比亞大學(xué)的一個(gè)物理學(xué)家團(tuán)隊(duì)，似乎已經(jīng)找到了通往“十萬級(jí)”超大規(guī)模量子計(jì)算的后門。

這項(xiàng)發(fā)表于《自然》雜志的突破性研究，并未依賴龐大復(fù)雜的傳統(tǒng)光學(xué)設(shè)備，而是將目光投向了一塊比硬幣還小的玻璃片——超表面。

物理學(xué)家塞巴斯蒂安·威爾和于南方通過結(jié)合光鑷技術(shù)與納米級(jí)超表面，成功捕獲了超過1000個(gè)鍶原子，并展示了在單一芯片上生成36萬個(gè)光陷阱的能力。

這不僅是數(shù)量級(jí)的飛躍，更預(yù)示著量子硬件或許即將迎來它的“集成電路時(shí)刻”。

突破瓶頸：當(dāng)原子遇見納米像素

要理解這項(xiàng)技術(shù)的革命性，首先得明白為什么擴(kuò)容這么難。

中性原子陣列示意圖。圖片來源：哥倫比亞大學(xué)威爾實(shí)驗(yàn)室

目前的量子計(jì)算機(jī)，無論是谷歌的超導(dǎo)回路還是霍尼韋爾的離子阱，都面臨著同一個(gè)噩夢(mèng)：控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。

每一個(gè)額外的量子比特通常都需要一套獨(dú)立的控制線路或激光束，導(dǎo)致系統(tǒng)越來越龐大，噪音越來越難以抑制。

相比之下，中性原子陣列被視為最具潛力的替代方案。

原子本身就是完美的量子比特，它們?cè)谧匀唤缰型耆嗤?，無需像人造電路那樣費(fèi)力校準(zhǔn)。

然而，傳統(tǒng)的原子捕獲方法依賴于空間光調(diào)制器（SLM），這種設(shè)備就像一個(gè)笨重的投影儀，不僅體積大，而且隨著光束數(shù)量的增加，其分辨率和穩(wěn)定性會(huì)急劇下降。

哥倫比亞大學(xué)團(tuán)隊(duì)的解決方案，是用一種名為“超表面”的平面光學(xué)器件取代這些笨重的透鏡。

你可以把超表面想象成一張納米級(jí)的全息底片，上面密密麻麻地排列著數(shù)以億計(jì)的微小柱狀結(jié)構(gòu)，每個(gè)只有幾百納米寬。

示意圖展示了超表面如何一步將單束光分割成多束聚焦光束。這些光束構(gòu)成一系列光鑷，用于將單個(gè)原子捕獲到具有任意幾何形狀的陣列中。圖片來源：哥倫比亞大學(xué) Will 和 Yu 實(shí)驗(yàn)室

當(dāng)一束高能激光穿過這塊薄片時(shí)，這些納米柱就像無數(shù)個(gè)微型透鏡，精準(zhǔn)地將光線塑造成成千上萬個(gè)獨(dú)立的高強(qiáng)度光點(diǎn)——也就是所謂的“光鑷”。

這種方法的美妙之處在于其驚人的集成度。

于南方教授形象地比喻道，這就像是將數(shù)萬個(gè)透鏡疊加在同一個(gè)平面上，每一個(gè)都擁有獨(dú)立的焦點(diǎn)。

在實(shí)驗(yàn)中，他們展示了一塊直徑僅3.5毫米的超表面，上面集成了1.14億個(gè)納米像素，能夠瞬間生成一個(gè)包含36萬個(gè)光陷阱的600x600陣列。

這意味著，只要有足夠功率的激光，理論上我們就能在指甲蓋大小的區(qū)域內(nèi)控制數(shù)十萬個(gè)量子比特。

堅(jiān)如磐石的光學(xué)心臟

這項(xiàng)技術(shù)的另一個(gè)關(guān)鍵突破在于其耐用性。

量子計(jì)算需要極高的精度，而高強(qiáng)度的激光往往會(huì)燒毀精密的光學(xué)元件。

傳統(tǒng)的液晶空間光調(diào)制器在面對(duì)強(qiáng)激光時(shí)十分脆弱，這限制了光鑷陣列的總能量，進(jìn)而限制了能捕獲的原子的總數(shù)。

圖中所示為直徑 3.5 毫米的超表面，包含 1.14 億個(gè)納米柱狀像素，是迄今為止制造的最精確的可見光超表面之一。圖片來源：哥倫比亞大學(xué) Yu 實(shí)驗(yàn)室

但哥倫比亞大學(xué)團(tuán)隊(duì)制造的超表面由氮化硅和二氧化鈦制成，這兩種材料以極其堅(jiān)硬和耐熱著稱。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，這種器件能夠承受超過2000瓦/平方毫米的激光強(qiáng)度，這相當(dāng)于地球表面太陽光強(qiáng)度的百萬倍。

這種“抗揍”的特性至關(guān)重要，因?yàn)橐瑫r(shí)維持十萬個(gè)光鑷，需要巨大的激光能量輸入。

有了這種高功率處理能力，研究人員不再需要擔(dān)心設(shè)備過熱或損壞，可以放手增加激光功率，從而捕獲更多的原子。

在演示實(shí)驗(yàn)中，團(tuán)隊(duì)不僅捕獲了原子，還玩起了“光之藝術(shù)”。

余南方，應(yīng)用物理與應(yīng)用數(shù)學(xué)副教授。圖片來源：哥倫比亞大學(xué)

他們利用超表面設(shè)計(jì)了各種復(fù)雜的原子排列圖案，從簡(jiǎn)單的正方形晶格，到復(fù)雜的準(zhǔn)晶體結(jié)構(gòu)，甚至還擺出了一個(gè)微型的自由女神像。

這種對(duì)原子排列的任意操控能力，對(duì)于構(gòu)建不同類型的量子邏輯門和模擬復(fù)雜的量子材料至關(guān)重要。

量子霸權(quán)的下一章

雖然目前團(tuán)隊(duì)實(shí)際捕獲的原子數(shù)量還在一千個(gè)左右，但這主要是受限于實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有激光器的功率，而非超表面本身的能力。

塞巴斯蒂安·威爾對(duì)此充滿信心，他表示：“要捕獲十萬個(gè)原子，我們只需要一臺(tái)功率更大的激光器，這在當(dāng)前的技術(shù)范圍內(nèi)完全是可以實(shí)現(xiàn)的?！?/p>

用于構(gòu)建超表面原子鑷子陣列的實(shí)驗(yàn)裝置。圖片來源：哥倫比亞大學(xué)威爾實(shí)驗(yàn)室

這項(xiàng)技術(shù)的意義遠(yuǎn)不止于制造更快的計(jì)算機(jī)。

大規(guī)模的中性原子陣列是模擬量子多體物理的理想平臺(tái)，可以幫助科學(xué)家解開高溫超導(dǎo)等未解之謎。

此外，這種高精度的原子控制技術(shù)還可以用于制造便攜式的光學(xué)原子鐘，讓超高精度的計(jì)時(shí)設(shè)備走出實(shí)驗(yàn)室，應(yīng)用到深空探測(cè)或高精度導(dǎo)航中。

這一突破也讓量子計(jì)算領(lǐng)域看到了類似半導(dǎo)體行業(yè)的“摩爾定律”曙光。

超表面與一美分硬幣的對(duì)比。圖片來源：哥倫比亞大學(xué) Will 和 Yu 實(shí)驗(yàn)室

通過利用半導(dǎo)體制造工藝（如深紫外光刻）來批量生產(chǎn)超表面，量子芯片的成本可能大幅降低，而集成度卻能指數(shù)級(jí)上升。

哥倫比亞大學(xué)的這項(xiàng)成果，實(shí)際上是將量子計(jì)算的競(jìng)爭(zhēng)從單純的物理學(xué)實(shí)驗(yàn)，拉入了微納制造的領(lǐng)域。

當(dāng)原本需要擺滿整個(gè)光學(xué)平臺(tái)的設(shè)備被壓縮進(jìn)一片薄薄的芯片時(shí)，我們有理由相信，那臺(tái)擁有10萬量子比特、能夠真正解決現(xiàn)實(shí)世界復(fù)雜問題的超級(jí)量子計(jì)算機(jī)，距離我們已經(jīng)不再遙遠(yuǎn)。

正如威爾所言，這不只是數(shù)量的堆砌，這是為整個(gè)量子大廈奠定了全新的地基。

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