美国学者实现中性原子量子比特阵列的快速连续相干装载

摘要：中性原子的丢失与泄漏限制了量子线路的深度，而传统补原子过程比门和测量慢一个数量级以上，还会用磁场梯度与共振光破坏已有比特。美国普林斯顿大学 Jeff D. Thompson 团队改用镱-171 的亚稳态核自旋作比特，并在计算区旁维持一团持续补充的冷原子储备区。新原子的捕获与制备都作用在基态原子上，亚稳态比特不受这些光场散射，补原子与量子操作因而可以同时进行，线路深度不再受原子丢失限制。光镊的特征捕获时间仅 0.84 毫秒，抽取循环达每秒 500 次，Hahn 回波相干时间达 5.4±0.9 秒。相关论文于9月17日发表在国际权威学术期刊《Science》上。

Credit: Science

中性原子光镊阵列凭借优异的可扩展性与高保真度量子门，已成为实现容错量子计算极具前景的物理平台。然而，目前的逻辑量子计算演示大多受限于固定的有限线路深度。这一限制有两个来源：一是初始制备的比特数固定，二是门操作误差、原子输运、背景气体碰撞以及破坏性测量不断累积的泄漏与丢失。在容错量子纠错架构中，如果这类物理错误能被实时检测并转化为擦除错误，其纠错阈值将显著优于传统的去极化通道，大幅降低硬件开销^[3]。但要维持长时间持续纠错计算，系统必须在原子丢失后实时补入同等数量的可用原子。

在传统中性原子实验中，向光镊阵列补充原子不仅耗时，而且会直接破坏正在进行的量子计算。传统装载过程通常依赖强磁场梯度以及共振的激光冷却与荧光探测光束。这些外场会无差别照射整个计算区，擦除已制备量子比特的相干信息。此前有团队尝试利用双物种原子阵列解决这一冲突，在保留一种原子相干性的同时从原子束中连续装载另一种原子^[2]。但在该方案中，原子装载的特征时间长达 90 毫秒，依然远慢于微秒量级的双量子比特门与毫秒量级的测量操作。装载过程因而成为制约处理器运行速度的核心瓶颈。此外，也有研究通过态寄存、强光频移或物理隔离测量区来保护中途比特，但均未能在计算过程中实时补入全新原子。

普林斯顿大学团队在此项工作中提出了一种全新的连续装载机制。该方案并不依赖机械遮挡、额外的屏蔽光束或复杂的空间隔离，而是从原子本身的内部能级结构入手，建立了一种基于光谱正交的被动防护机制。通过选用特殊的亚稳态核自旋作为量子比特载体，制备新原子所需的所有共振光场在能级上完全避开了量子比特的跃迁通道。新原子的捕获、冷却与单原子化处理因而能够与已有量子比特的相干操作在同一视场内并行发生，消除了连续装载操作对量子相干性的干扰。

要实现高吞吐率的原子供给，必须首先在计算区域附近维持一个高密度且持续补充的冷原子储备。实验系统在独立真空腔中连续运行三维磁光阱（MOT），产生预冷原子后，通过一条水平放置的光学偶极阱（ODT）将其输运至主科学腔。普通激光束在经过长达 35 厘米的长途输运时，光束发散会使光强显著减弱，极易导致冷原子逃逸。为此，研究团队引入了光学增强腔，利用镜面间的多次反射将光功率大幅放大两百倍，构建起足够深度的平滑光学通道。针对光学腔内天然存在的驻波光场起伏——这种周期性格点会像搓板一样阻碍原子滑行——实验采用多频率相位调制技术，同时激发腔内的多个纵向模式。不同模式的光场在空间相互抵消了驻波微观起伏，在光镊装载区域创造出近乎平滑的通道。与此同时，实验部分遮挡了与输运光束相交的三维磁光阱光束，使原子在光学梯度的牵引下源源不断地流向科学腔。

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进入科学腔后，原子直接进入严格划分的装载区（loading zone），进入一维光学粘团（1D optical molasses）冷却区域进行减速与横向捕获。在这片仅数百微米尺度的区域内，聚集的冷原子形成了一团致密的光学粘团。该区域每秒可稳定吞入上百万个冷原子，有效吸收了原子长途奔袭带来的多余动能，将其冷却并约束在局部。这构成了一个稳定维持的冷原子储备区，随时等待光镊阵列从中提取并补充给处理器。

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实现计算与装载并行的物理核心，是镱-171（¹⁷¹Yb）独特的亚稳态能级结构。与常规方案将比特编码在基态不同，本工作将量子比特定义在亚稳态 6s6p ³P₀ 的两个核自旋子能级上：|0⟩ 对应 m_F = -1/2，|1⟩ 对应 m_F = +1/2。镱-171 的核自旋为 1/2，核电四极相互作用为零；³P₀ 的电子总角动量又严格为零，张量光频移随之消失。这两点使它成为一个干净的核自旋二能级系统，能级劈裂只由外加磁场的核塞曼效应决定。最关键的物理特性在于，后续用于基态新原子减速、冷却、光致碰撞与成像的所有激光，波长均位于 556 纳米窄线宽跃迁附近。这些光场与亚稳态 ³P₀ 完全不产生共振，已存好的量子比特因而不会受到这类强光场的散射干扰。基态原子要进入这一亚稳态，需经过两级光学跃迁：先由 556 纳米激光完成自旋取向，再经由 556 纳米与 1539 纳米的双光子拉曼跃迁激发至 5d6s ³D₁ 态。³D₁ 会向 ³P₀、³P₁、³P₂ 三个态衰变，靠 50 个周期的循环光抽运，布居才逐步堆到 ³P₀。而要从亚稳态读出，则反向经由双光子拉曼跃迁把比特转移到 ³P₂，再经 6s6d ³D₂ 态光抽运，以 24 纳秒的寿命快速自发衰变回基态。

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在这一清晰的能级物理之上，实验通过两套协同工作的光镊系统，将新原子准备与旧比特计算在空间上彻底解耦。一套是由声光偏转器（AOD）驱动的移动光镊阵列，负责跨区域穿梭摆渡原子；另一套是由空间光调制器（SLM）构建的静止光镊阵列，作为专注计算的存储区（storage zone）。移动光镊在装载区捕获冷原子后，双轴振镜扫描器在 1 毫秒内将包含 256 个陷阱的光镊阵列平移约 300 微米，送入独立的成像区（imaging zone）。在成像区内，移动光镊依次执行 6 毫秒光致碰撞以剥除多原子占据、4 毫秒单原子识别成像，以及 6 毫秒运动冷却。由于 ³P₂ 态在光镊波长下受到排斥性的光频移，光镊在微秒级时间内周期性开闭，在暗场窗口内执行上述两级光学抽运，将原子转化成亚稳态量子比特。随后，新比特阵列平滑交接到静止光镊阵列中。移动光镊随即抽身返回装载区提取下一批原子，而静止阵列中的已有比特则在原地不间断地执行单比特门操作。

实验严格对比了连续装载与停止装载两种工况下的比特相干表现。在背景持续装载运转下，利用自旋回波测得的 Hahn 回波相干时间达 5.4±0.9 秒，与无装载对照组的 7±1 秒相符。在背景持续装载新原子的同时，对已有比特施加连续单比特拉比驱动，也未表现出额外的衰减。这证实已有量子比特对近在咫尺反复进行的装载、搬运与强光照射不敏感。

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在读出环节，团队利用上述能级通道构建了损失分辨读出协议。处于亚稳态的原子被选择性激发并级联落回基态。由于偏置磁场使两自旋态的跃迁共振存在频率差，实验得以先后将 |0⟩ 与 |1⟩ 逐一转移回基态，并在荧光下连续拍摄两张图像。第一张发光判定为 |0⟩，第二张发光判定为 |1⟩，两张均不发光则明确判定为原子发生物理丢失。该协议的状态识别正确率达 0.9644(13)，剔除丢失后上升至 0.9927(10)。每次测量后的原子留存损失仅为 2.5%，使得单批原子可在多次原位复用后才需触发新一轮装载。

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这项成果从根本上重塑了中性原子量子计算中各物理环节的时间分配格局。以往需要近百毫秒的光镊装载步骤，被压缩至 1 毫秒的极短时间尺度。在单纯测试原子捕获极限的循环抓取测试中，系统实现了每秒 500 次的光镊抽取操作，峰值抽取速率达 7.3×10⁴ 个/秒。这一体系的光镊装载特征时间比此前双物种方案的 90 毫秒缩短了近两个数量级^[2]。高密度储备在此过程中未出现任何可观测的枯竭效应。即便计入光致碰撞、荧光成像、运动冷却与量子态初始化的全部耗时，新制备的随机填充阵列生成速率依然达到每秒 30 次。若跳过光致碰撞直接原位复用无损测量的原子，测量速率更可提升至每秒 50 次。在装载速度大幅提升之后，制约全流程周期的瓶颈也发生了转移。目前光致碰撞（6 毫秒）、无损成像（4 毫秒）与再冷却（6 毫秒）合计占用了全循环时间的 90% 以上。这一事实表明，系统吞吐率的进一步提升动力已转向成像与冷却技术的优化。作者指出，未来通过利用多个光镊阵列将这些准备环节充分并行化，并配备高速流式相机接口，系统有望实现每秒数百次的完全连续装载循环。

更为重要的是，由于连续装载在时间上与门操作完全解耦，补充新原子不再给量子算法带来额外的运行死区时间。在深层量子计算场景中，微秒级的门操作与毫秒级的背景连续装载并行推进，系统得以维持高效的逻辑量子态演化。结合损失分辨读出所带来的擦除误差转化能力，配合后续计划引入的局域原子重排与两比特门，该技术为中性原子量子处理器突破有限线路深度的物理限制奠定了坚实基础。这为迈向运行深度不受限的通用容错架构铺平了道路。

参考文献：

1. Y. Li, Y. Bao, M. Peper, C. Li, J. D. Thompson, “Fast, continuous, and coherent atom reloading in a neutral-atom qubit array,” Science 393, 1213–1216 (2026). 
DOI: 10.1126/science.adz9952

2. K. Singh et al., “Mid-circuit correction of correlated phase errors using an array of spectator qubits,” Science 380, 1265–1269 (2023). 
DOI: 10.1126/science.ade5337

3. S. Ma et al., “High-fidelity gates and mid-circuit erasure conversion in an atomic qubit,” Nature 622, 279–284 (2023). 
DOI: 10.1038/s41586-023-06438-1

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