科學(xué)家們將光學(xué)鑷子與超曲面結(jié)合，捕獲了1000多個(gè)原子，并有可能捕獲更多數(shù)十萬(wàn)個(gè)，這項(xiàng)新技術(shù)可能實(shí)現(xiàn)10萬(wàn)量子比特的量子計(jì)算機(jī)

中性原子陣列的示意圖，圖片來(lái)源：哥倫比亞大學(xué)

量子計(jì)算機(jī)只有在能夠使用更多量子比特（稱(chēng)為量子比特）時(shí)，才能超越經(jīng)典機(jī)器。目前最先進(jìn)的系統(tǒng)大約包含1000個(gè)量子比特，但哥倫比亞大學(xué)物理學(xué)家塞巴斯蒂安·威爾和余南芳正致力于實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模的規(guī)模。

他們正在為實(shí)現(xiàn)超過(guò)10萬(wàn)個(gè)量子比特的量子計(jì)算機(jī)奠定關(guān)鍵基礎(chǔ)。在發(fā)表在《自然》雜志上的一篇新論文中，威爾和余將兩種強(qiáng)大的技術(shù)——光學(xué)鑷子和超曲面結(jié)合起來(lái)，大幅擴(kuò)展了中性原子陣列的規(guī)模。

繞過(guò)量子比特瓶頸的路線(xiàn)

中性原子陣列已成為構(gòu)建量子硬件的領(lǐng)先方法之一。在Will和Yu研究組的研究生Aaron Holman和Yuan Xu領(lǐng)導(dǎo)的關(guān)鍵演示中，團(tuán)隊(duì)成功捕獲了1000個(gè)鍶原子。他們的結(jié)果還表明，同樣的技術(shù)可以擴(kuò)展到包含超過(guò)10萬(wàn)個(gè)原子的系統(tǒng)。

原子非常適合作為量子比特，因?yàn)樗鼈冏匀恢С钟?jì)算所需的量子行為，包括疊加和糾纏。同樣重要的是，同一類(lèi)型的每個(gè)原子都是相同的。這消除了對(duì)量子比特進(jìn)行單獨(dú)調(diào)諧和同步的需求，而這對(duì)制造系統(tǒng)來(lái)說(shuō)隨著體積增大而面臨的挑戰(zhàn)日益增加。

原子是自然界的量子比特;完全相同且極其豐富。瓶頸一直是如何大規(guī)?？刂扑鼈?。

從光學(xué)鑷子到平面光學(xué)

在過(guò)去十年里，研究人員一直依賴(lài)光學(xué)鑷子陣列來(lái)捕捉單個(gè)原子。光學(xué)鑷子是一種高度聚焦的激光束，其焦點(diǎn)固定著單個(gè)原子。

大型陣列通過(guò)產(chǎn)生大量此類(lèi)光束形成，通常使用空間光調(diào)制器（SLM）或聲學(xué)光學(xué)偏轉(zhuǎn)器（AOD）。利用這些工具，加州理工學(xué)院的一個(gè)團(tuán)隊(duì)最近創(chuàng)建了包含6100個(gè)被捕獲原子的陣列，并證明它們可以作為量子比特發(fā)揮作用。

通過(guò)超表面鑷子陣列方法，研究人員希望將中性原子陣列擴(kuò)展得更遠(yuǎn)，甚至超過(guò)10萬(wàn)個(gè)原子。

哥大應(yīng)用物理與應(yīng)用數(shù)學(xué)副教授余南芳

這種縮放來(lái)自一種根本全新的光學(xué)鑷子陣列生成方法：元曲面。超曲面是由納米級(jí)“像素”組成的平面光學(xué)器件。當(dāng)單束光通過(guò)中介曲面時(shí)，像素會(huì)將其塑造成獨(dú)特的圖案。

在當(dāng)前的研究中，像素遠(yuǎn)小于它們所控的光的波長(zhǎng)：不到200納米，而鑷子使用的光波長(zhǎng)為520納米。這意味著他們可以直接生成鑷子陣列;SLM和AOD方法需要額外設(shè)備，這些設(shè)備體積龐大、昂貴，且限制了陣列的最終尺寸。

這項(xiàng)工作中使用的超曲面可以被視為數(shù)萬(wàn)個(gè)平面透鏡在同一平面上的疊加，且其焦點(diǎn)位置不同，因此在激光束入射時(shí)，一個(gè)中曲面可以同時(shí)產(chǎn)生數(shù)萬(wàn)個(gè)焦點(diǎn)。

實(shí)驗(yàn)裝置中創(chuàng)建元表面原子鑷子陣列

為動(dòng)力與精準(zhǔn)而造

這些超曲面由氮化硅和二氧化鈦制成，還能承受光強(qiáng)超過(guò)2000瓦/平方毫米的極強(qiáng)激光——這大約是陽(yáng)光到達(dá)地球時(shí)的一百萬(wàn)倍。超曲面的高功耗處理能力，加上潔凈室納米制造越來(lái)越大更精密設(shè)備的可擴(kuò)展性，使研究人員的平臺(tái)具備實(shí)現(xiàn)大規(guī)?？蓴U(kuò)展光學(xué)鑷子陣列的能力。

在論文中，團(tuán)隊(duì)通過(guò)將原子捕獲到多個(gè)高度均勻的二維陣列中，展示了元表面光學(xué)鑷子平臺(tái)的多功能性。這些模式包括一個(gè)包含1024個(gè)位點(diǎn)的方格;帶有數(shù)百個(gè)遺址的準(zhǔn)水晶和自由女神像圖案;以及一個(gè)由間距不到1.5微米的原子組成的圓圈。

團(tuán)隊(duì)還創(chuàng)建了一個(gè)直徑3.5毫米、包含超過(guò)1億像素的元曲面，生成一個(gè)600 x 600的陣列：總共36萬(wàn)個(gè)光學(xué)鑷子，這比現(xiàn)有技術(shù)的能力高出兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

巨大的原子陣列的應(yīng)用前景

威爾和余認(rèn)為中性原子陣列的可擴(kuò)展性有現(xiàn)實(shí)可行的路徑，這不僅可能惠及量子計(jì)算機(jī)，還可能惠及其他中性原子量子技術(shù)，如幫助科學(xué)家模擬復(fù)雜量子多體現(xiàn)象的量子模擬器，以及可部署于實(shí)驗(yàn)室外的精確光學(xué)原子鐘。

1024個(gè)原子的網(wǎng)格，以及每個(gè)原子間距低于1.5微米的圓圈

接下來(lái)團(tuán)隊(duì)準(zhǔn)備挑戰(zhàn)更多原子。為此，他們只需要更大的激光頭。要困住十萬(wàn)個(gè)原子，他們需要比現(xiàn)在更強(qiáng)大的激光。