近期，中國科學(xué)院精密測量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院詹明生研究員、許鵬研究員團(tuán)隊提出了一種基于光纖陣列的中性原子量子計算新架構(gòu)，實現(xiàn)了對單個原子的獨立操控和高保真度量子門操作，即讓每個量子比特各有“一束光”。

實驗中，研究人員成功地在二維光鑷中捕獲并獨立操控了 10 個單原子，并實現(xiàn)了平均保真度 0.9966（3）的單量子比特門操作。值得關(guān)注的是，他們還在 4 個隨機(jī)選擇的量子比特上同時實現(xiàn)了任意單量子比特門操作，平均保真度高達(dá) 0.9961（4）。

此外，研究團(tuán)隊還在光纖陣列捕獲的兩個原子之間實現(xiàn)了里德堡阻塞效應(yīng)（注：里德堡阻塞是一種量子現(xiàn)象，當(dāng)兩個原子處于特定量子態(tài)時，會因相互作用而阻止同時激發(fā)，該現(xiàn)象與能否實現(xiàn)高保真度的兩量子比特門操作密切相關(guān)）。

許鵬研究員對 DeepTech 表示：“我們的研究是從底層架構(gòu)層面為原子量子計算探索出一條新的架構(gòu)路線，未來有望通過集成光子學(xué)等技術(shù)進(jìn)行擴(kuò)展?！?/p>

這種新的技術(shù)路線，為滿足未來大規(guī)模容錯的需求和現(xiàn)階段 NISQ（Noisy Intermediate-Scale Quantum，含噪中型量子）時代對不同算法的匹配需求提供了一種解決方案。

圖丨實驗裝置圖（來源：許鵬）

與論文一起公開的審稿人意見對該研究評價稱：“這是一項出色的工作，為構(gòu)建中性原子量子計算機(jī)提供了新途徑。我認(rèn)為該研究對量子計算領(lǐng)域具有重要而直接的貢獻(xiàn)，同時也將對量子模擬、光–物質(zhì)相互作用以及量子信息科學(xué)的研究產(chǎn)生廣泛影響。”

近日，相關(guān)論文以《一種用于原子量子計算的光纖陣列架構(gòu)》（A fiber array architecture for atom quantum computing）為題發(fā)表在 Nature Communications[1]。中國科學(xué)院精密測量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院李瀟助理研究員是第一作者，詹明生研究員和許鵬研究員擔(dān)任共同通訊作者。

圖丨相關(guān)論文（來源：Nature Communications）

許鵬研究員從博士期間就開始單原子操控的相關(guān)研究。2017 年，盡管團(tuán)隊在 Physical Review Letters 報道了兩個異核原子（即兩個不同原子）糾纏的實驗，但此后他們發(fā)現(xiàn)，尋址（注：精準(zhǔn)點名每個量子比特）仍存在一定困擾。隨后，他們繼續(xù)將原子擴(kuò)展到異核單原子陣列（2022 年 Physical Review Letters），并致力于進(jìn)一步提高原子的保真度。

2022 年，研究人員發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)方式在尋址時需要將光聚焦到單個原子上，但隨著時間推移，光與原子的位置無法始終保持精準(zhǔn)重合，導(dǎo)致保真度下降。需要指出的是，這種方式會帶來另一個問題：光聚焦到原子上時，通常只能逐個或逐行操作，導(dǎo)致對不同原子執(zhí)行不同量子門操作時效率較低。

那么，如何既能讓原子和光很好地對準(zhǔn)，又能實現(xiàn)并行的任意操控呢？

（來源：Nature Communications）

在本次研究中，研究人員通過光纖陣列將光束聚焦在真空腔內(nèi)，形成光鑷陣列。他們巧妙利用單原子是由激光囚禁這一原理，將囚禁光和操控光用同一根光纖進(jìn)行耦合后，實現(xiàn)了囚禁光（形成光鑷）和操控光（執(zhí)行量子門操作）在空間中的位置始終一致，從而保證原子始終被操控光所定位。許鵬研究員指出，這解決了傳統(tǒng)架構(gòu)中因獨立光路引起的相對位置漂移問題，并為作用于原子的操控光場與囚禁原子位置之間長期、穩(wěn)定的對準(zhǔn)精度提供了保障。

更進(jìn)一步地，研究人員將每根光纖與每個原子對應(yīng)控制，每根光纖后分別設(shè)置不同的操控光路，為每個光路能夠獨立操控提供了保障?；诖?，解決了并行和任意操控的問題。

實際上，在研究過程中研究人員面臨不少挑戰(zhàn)，例如相干性能。在該實驗系統(tǒng)中，由于原子溫度較高，導(dǎo)致原子的退相干較為嚴(yán)重。為此，研究人員在系統(tǒng)中采用團(tuán)隊在此前工作中發(fā)展的單原子魔幻光強(qiáng)偶極阱技術(shù)[2]，通過調(diào)控激光的偏振使微分光頻移盡可能減小，從而使相干時間得到了數(shù)量級上的提升，也為后續(xù)保真度的提高奠定了基礎(chǔ)。

（來源：Nature Communications）

此外，在實驗初期由于研究人員將操控光聚焦得過小，導(dǎo)致原子感受到的光強(qiáng)不均勻，因此在操控保真度提升方面“卡”了很久。為此，研究團(tuán)隊采用了一種創(chuàng)新的方案。考慮到操控光與囚禁光的波長不同，他們利用一個鍍膜小孔來解決該問題。

許鵬研究員解釋說道：“這個小孔的巧妙之處在于，它能夠透過 830 納米的囚禁光，但只能允許 795 納米的操控光中間的一部分透過。也就是說，相當(dāng)于把操控光的光斑稍微擴(kuò)大一些，利用小孔的效應(yīng)在原子聚焦位置對操控光進(jìn)行放大。基于此，原子感受到更均勻的光強(qiáng)，從而顯著提升了操控保真度?！?/p>

據(jù)介紹，實施該方案的過程也尤為重要，一方面需要考慮光斑不能擴(kuò)得太大，否則會引入串?dāng)_；另一方面也不能太小，否則對光強(qiáng)均勻性的提升效果不明顯。

（來源：Nature Communications）

盡管在本次研究中取得了不錯的進(jìn)展，但仍有一些問題需要在后續(xù)研究中繼續(xù)提升。例如，兩比特門的保真度仍需提升，目前尚未實現(xiàn)囚禁光和操控光同時對準(zhǔn)原子，他們將進(jìn)一步優(yōu)化和探索合適的方法。此外，研究團(tuán)隊在將該系統(tǒng)擴(kuò)展到千比特甚至萬比特方向已進(jìn)行了初步探索。

他們希望構(gòu)建一個可切換到三維光波導(dǎo)的光纖陣列。據(jù)介紹，其計劃通過器件設(shè)計的優(yōu)化和制造工藝的提升，理論上能夠達(dá)到滿足原子操控所需要的激光調(diào)制要求，包括光的幅度調(diào)節(jié)、相位調(diào)節(jié)和偏振調(diào)節(jié)等。

“我們可以暢想，原子體系最終可能發(fā)展成桌面型的原子量子計算機(jī)。隨著芯片技術(shù)的進(jìn)一步提升，未來甚至有望做得更小，但性能依然可以達(dá)到對幾千個物理比特進(jìn)行完全操控的能力?！痹S鵬研究員表示。

參考資料：

1.Li, X., Hou, JY., Wang, JC. et al. A fiber array architecture for atom quantum computing. Nat Commun 16, 9728 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-64738-8

2.Yang, J.; He, X.; Guo, R.; Xu, P.; Wang, K.; Sheng, C.; Liu, M.; Wang, J.; Derevianko, A.; Zhan, M. Coherence Preservation of a Single Neutral Atom Qubit Transferred between Magic-Intensity Optical Traps. Phys Rev Lett 2016, 117 (12), 123201. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.117.123201. 3.https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.128.083202.