目前最先進的量子計算機約有1000個量子比特，而美國哥倫比亞大學團隊正試圖將這一數字提升兩個數量級以上。他們首次將光鑷與超表面技術結合，提出并驗證了一種可擴展的中性原子陣列技術，為構建超過10萬個量子比特的量子計算機奠定基礎。相關成果發表在新一期《自然》雜志上。
中性原子陣列是構建量子計算機的新興平臺。研究團隊在實驗中俘獲1000個鍶原子，并驗證該方法可在原理上擴展至10萬個以上，這些原子未來或可作為量子比特使用。
原子在量子計算中具有天然優勢，可穩定呈現量子疊加和糾纏等特性，且彼此完全一致，無需像固態量子比特那樣校準與同步。但難點在于如何實現大規模精確操控。
過去十多年，科學家通常利用空間光調制器或聲光偏轉器生成光鑷陣列。單個光鑷是一束高度聚焦的激光，可將單個原子固定在焦點上，陣列則由許多光鑷組成，但設備復雜、體積龐大，限制了陣列規模。
此次研究中，超表面像素尺寸小于200納米，遠低于所操控的520納米激光波長，可在無需額外光學系統的情況下同時生成成千上萬個聚焦點。研究人員表示，這種超表面相當于在同一平面上集成了成千上萬個微型透鏡，可一次性產生大規模光鑷陣列。
此外，超表面由氮化硅和二氧化鈦制成，可承受超過2000瓦/平方毫米的激光強度，約為地表太陽光的100萬倍，這為大規模俘獲原子提供了條件。
實驗中，團隊構建了多種高度均勻的二維原子陣列，還制備了一塊直徑3.5毫米，包含超過1億個像素的超表面，可生成600×600陣列，總計36萬個光鑷，規模比現有技術提升兩個數量級。
該技術不僅有望推動大規模量子計算發展，還可應用于量子模擬和高精度光學原子鐘等中性原子量子技術。