量子计算规模化关键一步：2000原子独立可控，激光光镊技术再突破

2026-08-04

德国亚琛——弗劳恩霍夫激光技术研究所（Fraunhofer ILT）为一台正在斯图加特大学第五物理研究所建设的量子计算机开发了一套高度复杂的激光光学系统。该系统能够将2000个里德伯原子以亚微米精度定位在计算机的超紧凑真空腔体内。为此，系统向腔体内投射由2000束独立可控激光束组成的阵列，这些光束充当光镊，将捕获的里德伯原子精确固定在彼此相互作用所需的距离上——量子计算机的逻辑运算正是基于这些相互作用。

挑战：2000个原子，百纳米级定位精度

这项任务极具挑战性：开发一套能够用光镊控制2000个捕获的锶原子，并将其在里德伯量子计算机真空腔体内定位至100纳米精度的系统。真空腔体是计算机的处理单元，在其中两个相邻原子通过激光激发进入可相互作用的态，这些相互作用可被控制和测量——科学家称之为双量子比特逻辑门，是里德伯量子计算机量子逻辑门的基本单元。

里德伯原子特别适合量子计算。在激光激发态下，其尺寸超过一微米——由于激发，最外层电子短暂进入远离原子核的轨道，但仍受束缚。然而由于外层电子束缚较弱，原子对电场高度敏感，相邻原子产生的电场也能产生影响。科学家正利用这一特性对量子操作进行高精度电磁控制。

专利量子比特方案

斯图加特大学第五物理研究所Florian Meinert博士和Tilman Pfau教授领导的团队正致力于基于里德伯原子的通用量子计算机研究。他们采用基于592纳米魔幻波长的专利精细结构量子比特方案。在该波长下，量子比特的两种态和里德伯态在光镊中受到同等强度的束缚，使系统具有特别的鲁棒性。

当试图用激光同时将一对量子比特激发到里德伯态时，由于它们之间的强相互作用，其中一个原子会发生激发阻塞——这是团队目前在斯图加特建造和测试的演示器计算操作的基础。前述光学系统的任务正是实现计算机的规模化：该光学系统旨在用2000束激光束固定原子，并允许团队在计算过程进行中重新排列由20×100激光焦点及其上停靠的量子比特组成的阵列。为确保与阵列中相邻原子的最佳相互作用，它们之间的间距精确设定为3.5微米。

高度复杂的激光光学系统设计

为实现量子门的高效纠错，2000束激光束必须各自独立控制，且不能以牺牲精度为代价：激光焦点之间的距离精确定义在100纳米以内，以确保被激发原子之间快速、可靠切换的相互作用。

弗劳恩霍夫ILT接受了斯图加特研究团队的挑战，基于全面仿真开发设计了相应的激光光学系统。组装完成后进行了全面测试，交付后无需重新调整即可调试。在量子计算机整体设计中，仅分配了一平方米给光学系统——该系统包含超过150个光学组件。亚琛团队成功满足这一要求，并已在现场完成紧凑系统的调试。

图1 © Fraunhofer ILT, Aachen, Germany / Ralf Baumgarten.

在一个由20行、每行100个可独立控制激光焦点组成的阵列中，里德堡原子可定位在3.5 μm间距上。该装置通过级联分束器、声光偏转器、透镜和反射镜将4束初始激光分为2000束可单独控制的光束

从4束到2000束：光路设计揭秘

团队成功开发了20行×100列、间距3.5微米的独立可控激光焦点阵列。为实现这一目标，由级联分束器、声光偏转器、透镜和反射镜组成的装置，将最初入射的4束激光逐步分束为所需的2000束独立可控光束。这产生了阵列的中间像，通过反射镜导入中继单元，再以50倍缩小投影到真空腔体中——2000个焦点即作为光镊使用。

弗劳恩霍夫ILT光学设计与二极管激光器研究组组长Martin Traub博士介绍：“挑战在于将四束准直入射激光——总功率20瓦——分成2000束功率相等的独立可控光束。”每束光首先通过分束立方体：第一步将20%的光以90°偏转，剩余80%通过进入下一个立方体再次分束。每束激光重复五次后产生20束功率相等的平行光，再通过声光偏转器（AOD）。AOD利用声波在晶体中产生周期性折射率调制，形成可控光栅，通过声频改变出射激光偏转角、通过幅值改变功率分布。100种不同频率产生100种不同偏转角度——20束入射光各自被AOD分成100束子光束，均可独立控制。

图2 © Fraunhofer ILT, Aachen, Germany / Ralf Baumgarten.

激光束被导向阶梯递减的分段反射镜，最终台阶仅几百微米。此级联将2000个光斑间距缩小到小于200 μm，仍需进一步50倍缩小

定制阶梯反射镜与50倍缩小的奥秘

从100束子光束到独立可控激光焦点，还需经过一系列光学元件：傅里叶透镜将光束转换为远心点阵。但由于分束立方体和AOD的尺寸，该点阵过大，无法将原子定位到真空腔体内所需的3.5微米间距。更多光学巧思应运而生：2000束激光射向分段式阶梯反射镜，阶梯逐级缩小，最终反射面仅有数百微米大小。通过这一级联，光点间距缩小到200微米以下——但这还不够，还需要50倍缩小。

“我们通过潜望镜将中间像导入第二平面，由两级远心中继单元缩小并投影到真空腔体中，”Traub解释道。为实现阵列所需的微米级间距，团队将丰富专业知识融入系统设计、光学元件制造及组装对准中。采用六自由度六足位移台以所需精度对准反射镜，可在三个空间方向和角度上自由调节——因为光学元件对准即使微小偏差也会导致阵列间距错误，直接损害计算性能——错位的量子比特无法再履行其逻辑功能。而这正是关键所在：每增加一个逻辑量子比特，量子计算机的性能潜力呈指数级增长。

采用带六个致动器的六足系统以高精度对准反射镜，能在三个空间方向和角度上自由调整

多年专业积累赋能量子技术未来

Traub表示：“我们能够成功设计和实现该系统，得益于弗劳恩霍夫ILT四十年来积累的广泛专业知识。”这充分展示了激光和光学作为量子技术这一未来领域的基石和推动者的核心地位。

弗劳恩霍夫ILT战略任务量子技术负责人Bernd Jungbluth博士补充道：“这同样适用于我们近期在亚琛调试的近乎无噪声量子频率转换器（未来量子互联网的网络节点），以及研究所已开发的、采用SLE（选择性激光诱导蚀刻）工艺由石英玻璃制造的离子阱芯片。”与里德伯原子一样，离子具有制造无差异性和长相干时间的优势，这使得离子阱和里德伯量子计算机在量子技术界日益受到关注。激光和光学技术正是这两种技术路线的共同基础。

来源：Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT官方新闻稿

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