量子計算610μm長程傳輸：解析6,100個原子陣列背后的G&H AOD

隨著2025年“國際量子科學與技術年"正式落入時間長河，量子力學的百年輝煌完成了歷史性的接力。步入2026年，量子科學的熱度有增無減，隨著全qiu投資激增和關鍵技術突破的雙重驅(qū)動下持續(xù)升溫。而量子計算機更是其中創(chuàng)新zui為活躍的前沿陣地，并且多個技術路線并行發(fā)展，離子阱、中性原子、光量子、超導、硅基半導體各顯神通，在不同應用場景下形成互補格局，推動從實驗室驗證邁向產(chǎn)業(yè)化的關鍵躍遷。

但是隨著量子比特數(shù)量的不斷擴展，如何實現(xiàn)對每個獨立量子比特的高保真度和高速度的光學操作正成為一個問題。在2025年秋季Optics.org的Quantum Focus特刊中，聲光領域英國Gooch & Housego介紹了他們在量子控制領域的精密光子技術方面的領xian地位。G&H在量子領域的解決方案涵蓋聲光偏轉(zhuǎn)器AOD、聲光調(diào)制器AOM和多通道架構(gòu)AOMC，能夠?qū)崿F(xiàn)高速量子比特尋址、光束轉(zhuǎn)向和移頻——這對于冷原子操控、離子阱控制以及光子與量子比特的相互作用至關重要。

作為G&H代理商，昊量光電持續(xù)關注量子計算前沿。在2025年，這篇發(fā)表于《Naure》的論文《A tweezer array with 6,100 highly coherent atomic qubits》引爆了學術圈，來自加州理工學院的研究團隊創(chuàng)造了光鑷陣列qiu禁了6100個高相干的中性原子比特，而先前這種陣列僅能包含數(shù)百個量子比特。

“動靜"光鑷協(xié)同

這項研究在室溫真空腔中，通過遠失諧波長（1055nm & 1061nm）對銫-133原子進行高功率qiu禁。在此之上，研究團隊巧妙地結(jié)合了兩種“動靜結(jié)合"的光鑷技術：由空間光調(diào)制器（SLM）構(gòu)建大規(guī)模的靜態(tài)光鑷陣列，產(chǎn)生近12000個阱位（圖1）；同時，由聲光偏轉(zhuǎn)器（AOD）作為高靈活性的動態(tài)光鑷，精確執(zhí)行原子的重構(gòu)、尋址與高效傳輸。

圖1 大規(guī)模銫原子光鑷陣列的捕獲情況： a 單次實驗中光鑷隨機加載原子的快照；b 16,000 次實驗迭代后的平均圖像

分區(qū)量子計算方案

此外研究團隊提出了一種基于不同功能分區(qū)（Zone）的量子計算方案（圖2），分為存儲區(qū)（Storage）、相互作用區(qū)（Interaction）、讀取區(qū)（Readout）。在存儲區(qū)中，作為量子比特的銫原子通過AOD進行重構(gòu)，將SLM陣列中隨機填充的原子重新排列整齊，實現(xiàn)12.6s的超長相干時間。存儲區(qū)內(nèi)任何位置的原子可以憑借AOD的動態(tài)尋址功能，實現(xiàn)了原子從SLM靜態(tài)存儲位點到AOD的動態(tài)勢阱的高保真轉(zhuǎn)移，并在500μm以內(nèi)相干運輸至對應的區(qū)域。

圖2 具備6,100個原子的分區(qū)式通用量子處理器布局構(gòu)想：存儲區(qū)內(nèi)任意位置的原子，均可通過AOD在500μm以內(nèi)，被輸運至相互作用區(qū)或讀取區(qū)。

AODF 4085性能解析

本文中首先將原子裝載到10個AOD光鑷中，并表征了約610μm的相干移動過程（圖3左），保真度達到了99.95%，而這也為將來的大規(guī)模量子糾錯打下基礎。銫原子的光鑷轉(zhuǎn)移過程中，光阱轉(zhuǎn)移保真度達到了99.81(3)%。這離不開G&H紅外波段AODF 4085（圖3右）的優(yōu)異性能，擁有30MHz的射頻帶寬也實現(xiàn)了單軸覆蓋范圍可達500–600 μm，而15mm的大輸入孔徑，為AOD帶來很高的光學分辨率，從而構(gòu)建高梯度、強qiu禁的動態(tài)光鑷勢阱。

圖3左.十個光鑷位點在沿對角線（藍色）或直線（粉色）移動時的示意圖及原子存活率。盡管直線移動的路徑更短，但受限于柱狀透鏡效應，其執(zhí)行速度慢于對角線移動。右.G&H AODF 4085 實物照片

性能搶先看

Gooch & Housego AODF 4085

聲光晶體材料：TeO2

晶體聲速：0.705 mm/μs

波長范圍：750-1064 nm

有效孔徑：直徑15 mm

射頻范圍&掃描角度：1064 nm 55-85 MHz 45.3 mrad

射頻平坦度：-2 db

最小衍射效率：70%，目標

對角線掃描策略

特別值得一提的是，為了獲得超高的原子運輸保真度，作者采取了一對正交的AOD 4085，通過對角線掃描的方案減少了柱面透鏡效應。由于AOD的偏轉(zhuǎn)角度與提供的射頻信號的頻率一一對應，在快速切換衍射角度運輸原子的過程中，AOD內(nèi)頻率迅速變化，晶體內(nèi)部存在瞬時的“頻率梯度"，導致AOD的一級衍射光斑在掃描的軸向上發(fā)生類似透鏡的畸變，因此稱為柱面透鏡效應。這種畸變會破壞光鑷勢阱的對稱性，使得原子在高速傳輸中容易脫離束縛，從而限制了AOD的整體掃描速度。

圖4 基于對角線移動的分區(qū)架構(gòu)。該示意圖展示了一種與AOD對角線移動兼容的分區(qū)布局。每條與特定 AOD 關聯(lián)的箭頭表示聲頻增加方向上的衍射軸。為了實現(xiàn)垂直方向（紅色）的一組移動，需使用 AODx 和 AODy；而對于水平方向（綠色）的一組移動，則需使用 AODx' 和 AODy。

這篇文章創(chuàng)新性地使用了二維AOD掃描系統(tǒng)進行對角線移動（Diagonal Motion）策略，而非傳統(tǒng)在X，Y兩個方向上移動光鑷（如圖3,4所示）。通過兩個正交的AOD 4085協(xié)同，在對角線移動的過程中，光鑷在x和y方向上以相同的速率移動，將柱面透鏡效應轉(zhuǎn)化為球面透鏡效應。雖然光鑷焦點偏移帶來的負面影響依然存在，但與單AOD直線移動的情況相比，該影響已大幅降低。研究團隊利用這一策略實現(xiàn)了在不犧牲速度的高保真度移動，在1.6ms內(nèi)即完成了那610μm的原子傳輸，相干性幾乎無損失。

每一項偉大的量子突破，都離不開精密光學器件的支撐。G&H AOD在610 μm尺度下實現(xiàn)的精準調(diào)度，不僅展示了器件的物理極限，更為未來大規(guī)模量子比特陣列的動態(tài)互聯(lián)描繪了清晰的路徑。

昊量光電為您提供來自聲光技術領域企業(yè)——英國Gooch & Housego 公司聲光偏轉(zhuǎn)器AOD。作為G&H在中國地區(qū)的戰(zhàn)略合作伙伴，我們?yōu)槟峁I(yè)的選型以及技術服務。對于G&H及其聲光系列產(chǎn)品有興趣或者任何問題，都歡迎通過電話、電子郵件或者微信與我們聯(lián)系，共同探討適合您系統(tǒng)的聲光產(chǎn)品選型與配置方案。

參考文獻

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.

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