11000个原子！清华和两仪万象联合刷新原子捕获数目世界纪录

物理量子比特的数量的可扩展性是实现通用容错量子计算机的关键。

大家可能也还记得，2025年，加州理工的一篇Nature论文中，把两块空间光调制器拼接起来，产生了12000个光镊，捕获了6100个原子，这个可以说是原子比特数目的天花板了。

不过就在近日，这个数字被国内团队打破了。

清华大学和两仪万象科技公司的研究团队，利用了一块直径仅约为2厘米的单个光学超表面，成功在光镊阵列中捕获了11000个单个铷原子。

这项工作研制的超表面不用显微镜就能生成完整的光镊阵列，而且超表面可以放置在真空腔外面，免去了真空中操作的诸多不便。

可以说，这项工作为实现万量级量子比特规模的量子计算机迈出了重要的第一步。

为什么万级原子很重要？

大家普遍认为，一台实用的量子计算机最少得有数万个量子比特。

原子阵列由于其可扩展性优秀、高保真度量子门及能够移动的量子比特以实现非局域量子比特操作，很快成为实用化的通用容错量子计算机最有前景的平台之一。

最近加州理工团队的工作提出，利用原子比特自身的可移动性，仅需约数万个原子量子比特就可以在密码学需要的规模上运行Shor算法。在这样一个平台上，可用的量子比特资源主要受限于光镊阵列能够捕获和操纵的单个原子的数量。

目前常用的光镊产生方案，大都是基于空间光调制器、声光偏转器组合光路搭建光镊阵列。但是这些方案都受到了一些实质上的限制：有限的像素数或分辨率、低激光功率利用效率、有限的激光损坏阈值、有限角度的窄衍射角所固有的受限视场（FOV）等。

此外，这些平台当然也必须使用高数值孔径（NA）显微镜物镜紧聚焦，而物镜的视场有限、损耗大，很容易就限制了比特规模的扩张。

迄今为止最好的成果就是加州理工报道的6100个原子。如果再往上叠加更多的调制硬件，实验光路复杂度、调试复杂度还会呈几何式增长，工程落地价值也不高，这也是近两年全球原子数量纪录没太大进展的原因。

超表面光学器件的成熟，为以上瓶颈提供了解决的新可能。

用超表面替代复杂光学系统

研究团队的一个新想法是，用一块大尺寸的超表面，来直接投射出大规模光镊阵列。

超表面，简单的说，是一种经过纳米级加工的平面光学器件。它的表面上有大量亚波长尺度的纳米结构“元原子”。它们可以精确地改变入射光的相位。一束普通的激光，通过超表面后会变成我们需要的复杂光场。

以前有人用超表面做过光镊阵列，但是尺寸都不大，主要是因为要把超表面的口径弄大，而又保障每个光镊的焦点的精细度都很高，设计和制备都比较难。

研究团队直接设计了一个超表面，直径约2厘米，直接把它放在真空腔体外面，距离超表面2.5毫米的地方，焦平面处在腔室的中心，整个的工作距离达到1.5厘米。每个光镊的艾里斑半径设计为0.9微米，对应着数值孔径是0.58。

另一方面，研究团队也做了功率预算。抓原子，要用很深的势阱，就是说要大功率的激光。他们用了850纳米波长的商用激光，入射功率约为33W。通过优化入射光束与超表面孔径的匹配，减小了截断损耗。

最终测算下来，有效的捕获功率是15瓦，平均每个光镊分配大约0.823毫瓦的功率，足够产生0.3毫开尔文以上的陷阱深度，单原子装载要求可满足。

此处研究团队还使用了统计物理中的逾渗理论统计阵列的质量。

简单说，就相当于把原子阵列看做一个网络，相邻两个地点上都有原子，就是连接。如果从左到右或者从上到下有连接存在，就说这个系统“渗流”了。

渗流理论告诉我们，当填充率超过某个临界值（大约是59%）时，整个阵列上就会出现贯穿的连通路径。这是典型的二级相变。

图：从原子装载快照中观察渗流转变

有趣的是，实验中的平均填充率是60.5%，相比临界值略高一点。

研究团队从这100个实验快照中得到的不同尺寸小区域统计“渗流”概率，可以看到不同尺寸曲线在临界点附近相交，并验证了有限尺寸的标度塌缩。

这表明，随机装载的原子阵列不能只是从“平均装了多少个原子”来评价，也可以通过“集体的连通性”来做统计诊断。

在单个超表面生成的光镊阵列中捕获11000个原子

这个实验的光路设计有一个巨大“亮点”，就是简单。

在入射端，只有一束扩束后的850纳米激光，核心元件只是这“一片”19.8毫米口径的超表面芯片（氮化硅的）。最后是在成像端，腔体另一面的一个物镜，专门做荧光成像（并不参与光镊）。

在这里，超表面承担了“分束”和“聚焦”的功能，直接投射出18225个光镊点阵。

图：实验构型与光镊阵列的统计表征

在单原子加载实验里，研究者们使用的是87Rb原子。它们首先经过二维、三维磁光阱冷却，在之后的D1线灰色光学黏团的过程中随机地装载到光镊阵列中。

加载后，研究人员用近共振光把焦平面外的背景原子推出，又用780纳米的光照射阵列200毫秒，用qCMOS相机收集荧光，结果是，研究者们在135×135阵列里捕获了11000个左右的原子。

为了评估稳定性，连续重复了100次实验迭代。

结果表明，平均每次捕获到11022个原子，对应18225个位点上平均填充率约60.5%，总原子数的标准差是167个原子，所以系统从宏观上是非常稳定的。

图：18225位点阵列中的大规模单原子捕获性能

单个位点上装载概率分布峰值也在60%左右，只有很小的一部分位点表现出低装载率，这主要是由于局部的阱深起伏、成像加热、推出背景原子时随机性受损所致。

应当着重指出的是，这里的11000个原子是随机装载出来的，并不是已经排成完美的无缺陷阵列的11000个可编程量子比特。

但是就“可捕获原子资源”的角度来看，它将中性原子平台提高到了一个新的数量级。

距离万量级无缺陷阵列更近一步

这项工作说明，单个放在真空腔外的厘米量级的超表面，可以直接产生大规模光镊阵列，并能够稳定捕获约11000个单原子。这不仅刷新了单套光镊阵列能捕获的原子数量的尺度，也证明了超表面技术在中性原子量子计算中的工程潜力。

这也为这项工作的发展留下了极大空间。研究团队表示，未来再结合两台850纳米激光器，或者再提高一台激光的功率，在未达到器件损伤阈值前，捕获原子数还可能再增加3-4倍。

如果选择更接近原子共振的830纳米激光，在同样的功率下能获取更强的捕获势。对于铯原子等其他原子，1064纳米高功率激光较为成熟，一台激光功率可以达到几百瓦，理论上也有机会进一步扩大规模。

当然，从“捕获很多原子”到“建成可用的量子计算机”，中间还有关键步骤。

下一步，研究人员还要把随机装载的原子高速重排变成无缺陷阵列，并在这一尺度上实现稳定的单比特门、双比特门、量子纠错结构等。

最近基于AI的原子重排算法可以在20毫秒左右处理近万原子的大规模阵列，这与研究展示的大规模捕获规模能力形成互补。

对于竞争激烈的中性原子赛道，国内团队在超表面特色的光学路上实现了关键参数反超，将加速我国在万比特、十万比特的中性原子量子处理器赛道的先发优势。

https://arxiv.org/abs/2606.02715