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可擴(kuò)展中性原子陣列技術(shù)獲驗(yàn)證

發(fā)布時(shí)間：2026-01-19

來(lái)源：科技日?qǐng)?bào)

責(zé)任編輯：科普網(wǎng)

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為構(gòu)建10萬(wàn)量子比特計(jì)算機(jī)奠定基礎(chǔ)

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(jiàn)光超表面之一。

圖片來(lái)源：美國(guó)哥倫比亞大學(xué)物理學(xué)家虞南方實(shí)驗(yàn)室

科技日?qǐng)?bào)訊（記者張佳欣）目前最先進(jìn)的量子計(jì)算機(jī)約有1000個(gè)量子比特，而美國(guó)哥倫比亞大學(xué)團(tuán)隊(duì)正試圖將這一數(shù)字提升兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上。他們首次將光鑷與超表面技術(shù)結(jié)合，提出并驗(yàn)證了一種可擴(kuò)展的中性原子陣列技術(shù)，為構(gòu)建超過(guò)10萬(wàn)個(gè)量子比特的量子計(jì)算機(jī)奠定基礎(chǔ)。相關(guān)成果發(fā)表在新一期《自然》雜志上。

中性原子陣列是構(gòu)建量子計(jì)算機(jī)的新興平臺(tái)。研究團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)中俘獲1000個(gè)鍶原子，并驗(yàn)證該方法可在原理上擴(kuò)展至10萬(wàn)個(gè)以上，這些原子未來(lái)或可作為量子比特使用。

原子在量子計(jì)算中具有天然優(yōu)勢(shì)，可穩(wěn)定呈現(xiàn)量子疊加和糾纏等特性，且彼此完全一致，無(wú)需像固態(tài)量子比特那樣校準(zhǔn)與同步。但難點(diǎn)在于如何實(shí)現(xiàn)大規(guī)模精確操控。

過(guò)去十多年，科學(xué)家通常利用空間光調(diào)制器或聲光偏轉(zhuǎn)器生成光鑷陣列。單個(gè)光鑷是一束高度聚焦的激光，可將單個(gè)原子固定在焦點(diǎn)上，陣列則由許多光鑷組成，但設(shè)備復(fù)雜、體積龐大，限制了陣列規(guī)模。

此次研究中，超表面像素尺寸小于200納米，遠(yuǎn)低于所操控的520納米激光波長(zhǎng)，可在無(wú)需額外光學(xué)系統(tǒng)的情況下同時(shí)生成成千上萬(wàn)個(gè)聚焦點(diǎn)。研究人員表示，這種超表面相當(dāng)于在同一平面上集成了成千上萬(wàn)個(gè)微型透鏡，可一次性產(chǎn)生大規(guī)模光鑷陣列。

此外，超表面由氮化硅和二氧化鈦制成，可承受超過(guò)2000瓦/平方毫米的激光強(qiáng)度，約為地表太陽(yáng)光的100萬(wàn)倍，這為大規(guī)模俘獲原子提供了條件。

實(shí)驗(yàn)中，團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了多種高度均勻的二維原子陣列，還制備了一塊直徑3.5毫米，包含超過(guò)1億個(gè)像素的超表面，可生成600×600陣列，總計(jì)36萬(wàn)個(gè)光鑷，規(guī)模比現(xiàn)有技術(shù)提升兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

該技術(shù)不僅有望推動(dòng)大規(guī)模量子計(jì)算發(fā)展，還可應(yīng)用于量子模擬和高精度光學(xué)原子鐘等中性原子量子技術(shù)。

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