量子计算前沿：6100 个高相干原子光镊阵列与 AOD 精密控制技术解析

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随着 2025 年 “国际量子科学与技术年” 落幕，量子力学的百年发展完成历史性接力。步入 2026 年，量子科学热度持续攀升，在全球投资激增与关键技术突破的双重驱动下快速发展。量子计算机作为创新最活跃的前沿领域，离子阱、中性原子、光量子、超导、硅基半导体等多条技术路线并行发展，在不同应用场景形成互补格局，推动量子计算从实验室验证向产业化关键跃迁。

随着量子比特数量不断扩展，实现对每个独立量子比特的高保真度、高速光学操作，成为当前量子计算领域的核心技术难题。2025 年秋季，Optics.org Quantum Focus 特刊中，英国声光领域标杆企业 Gooch & Housego（G&H）介绍了其在量子控制领域精密光子技术的领先优势。G&H 量子领域解决方案涵盖声光偏转器 AOD、声光调制器 AOM、多通道架构 AOMC，可实现高速量子比特寻址、光束转向与移频，对冷原子操控、离子阱控制、光子与量子比特相互作用具有关键支撑作用。

2025 年，《Nature》刊发论文《A tweezer array with 6,100 highly coherent atomic qubits》引发学术关注。加州理工学院研究团队构建光镊阵列，成功囚禁 6100 个高相干中性原子比特，突破此前同类阵列仅能容纳数百个量子比特的技术限制。

一、“动静” 光镊协同技术方案

该研究在室温真空腔中，采用远失谐波长（1055nm & 1061nm）对铯 - 133 原子进行高功率囚禁。研究团队创新融合两种 “动静结合” 光镊技术：以空间光调制器（SLM）构建大规模静态光镊阵列，可产生近 12000 个阱位；同时以声光偏转器（AOD）作为高灵活度动态光镊，精准完成原子重构、寻址与高效传输。

图 1 大规模铯原子光镊阵列的捕获情况 a 单次实验中光镊随机加载原子的快照；b 16000 次实验迭代后的平均图像

二、分区量子计算方案

研究团队提出基于功能分区的量子计算方案，整体架构分为存储区（Storage）、相互作用区（Interaction）、读取区（Readout）。在存储区中，铯原子量子比特通过 AOD 完成重构，将 SLM 阵列中随机填充的原子规整排列，实现 12.6s 超长相干时间。依托 AOD 动态寻址功能，存储区内任意位置原子可从 SLM 静态存储位点，高保真转移至 AOD 动态势阱，并在 500μm 范围内相干运输至对应功能区域。

图 2 具备 6100 个原子的分区式通用量子处理器布局构想 存储区内任意位置的原子，均可通过 AOD 在 500μm 以内，被输运至相互作用区或读取区。

三、AODF 4085 性能解析

研究中先将原子装载到 10 个 AOD 光镊中，对约 610μm 相干移动过程进行表征，保真度达 99.95%，为大规模量子纠错奠定基础。铯原子光镊转移过程中，光阱转移保真度达 99.81 (3)%，核心依托 G&H 红外波段 AODF 4085 的优异性能。该器件具备 30MHz 射频带宽，单轴覆盖范围可达 500–600μm；15mm 大输入孔径赋予其高光学分辨率，可构建高梯度、强囚禁的动态光镊势阱。

图 3 左：十个光镊位点在沿对角线（蓝色）或直线（粉色）移动时的示意图及原子存活率。尽管直线移动路径更短，但受柱状透镜效应影响，执行速度慢于对角线移动。 右：G&H AODF 4085 实物照片

G&H AODF 4085 核心参数

• 声光晶体材料：TeO₂
• 晶体声速：0.705 mm/μs
• 波长范围：750-1064 nm
• 有效孔径：直径 15 mm
• 射频范围 & 扫描角度：1064 nm 55-85 MHz 45.3 mrad
• 射频平坦度：-2 dB
• 最小衍射效率：70%（目标值）

四、对角线扫描策略

为实现超高原子运输保真度，研究团队采用一对正交 AOD 4085，通过对角线扫描方案降低柱面透镜效应。AOD 偏转角度与射频信号频率一一对应，快速切换衍射角度运输原子时，晶体内部产生瞬时 “频率梯度”，导致一级衍射光斑在扫描轴向出现类透镜畸变，即柱面透镜效应。该畸变会破坏光镊势阱对称性，导致原子高速传输中易脱离束缚，限制 AOD 整体扫描速度。

研究团队创新性采用二维 AOD 扫描系统实现对角线移动策略，替代传统 X、Y 双向光镊移动方式。两个正交 AOD 4085 协同工作，对角线移动时光镊在 x、y 方向以相同速率移动，将柱面透镜效应转化为球面透镜效应，大幅降低畸变影响。依托该策略，研究团队在不牺牲速度的前提下实现高保真度移动，1.6ms 内完成 610μm 原子传输，原子相干性几乎无损失。

图 4 基于对角线移动的分区架构 示意图展示与 AOD 对角线移动兼容的分区布局。每条与特定 AOD 关联的箭头表示声频增加方向上的衍射轴。实现垂直方向（红色）移动需使用 AODx 和 AODy；水平方向（绿色）移动需使用 AODx’和 AODy。

量子技术的重大突破，离不开精密光学器件的底层支撑。G&H AOD 在 610μm 尺度下实现的原子精准调度，不仅验证了器件的物理性能极限，更为未来大规模量子比特阵列的动态互联提供了可行技术路径。

参考文献

1. Manetsch, Hannah J., et al. "A tweezer array with 6,100 highly coherent atomic qubits." Nature 647.8088 (2025): 60-67.

2.Manetsch, Hannah J., et al. "Supplementary Information." Supplement to "A tweezer array with 6,100 highly coherent atomic qubits," Nature, vol. 647, 2025.