光镊中捕获的单原子阵列被视为可扩展量子计算的潜在平台。在容错量子计算与含噪声中等规模量子（NISQ）计算时代，对量子比特的独立操控能力是高效执行量子电路的关键。基于原子穿梭或光束扫描的时分复用控制方案已被用于构建可编程中性原子量子处理器，但实现高速率、高并行度和高稳定性的门操作仍是一项挑战。
11月4日，中国科学院精密测量科学与技术创新研究院、中国科学院大学物理科学学院、武汉量子技术研究院、合肥国家实验室、中科酷原科技（武汉）有限公司组成的研究团队，在《Nature Communications》期刊上发表题为“A fiber array architecture for atom quantum computing”（一种用于原子量子计算的光纤阵列架构）的研究论文，李潇为论文第一作者，许鹏研究员、詹明生研究员为论文共同通讯作者。
本研究提出一种用于原子量子计算的光纤阵列架构，可实现对单个原子的完全独立操控。每个原子的捕获激光与寻址激光均由同一光波导发射，通过共模抑制光束指向噪声实现稳健操控。
利用该光纤阵列，研究人员通过实验在二维光镊中实现了10个单原子的捕获与独立操控，所实现的独立寻址单量子比特门平均保真度达0.9966(3)。更重要的是，本研究在4个随机选取的量子比特上实现了任意单量子比特门的同步操作，平均保真度为0.9961(4)。本研究为中性原子量子计算机上高效执行量子算法奠定了基础。
研究背景
近年来，光镊中捕获的单原子阵列已成为实现可扩展量子计算最具前景的物理平台之一。得益于其优异的量子相干性、简易的原子制备以及里德堡相互作用带来的强大可编程性，中性原子量子计算机在量子比特数量上展现出惊人的扩展潜力。无论是面向近期的NISQ时代，还是追求未来的容错量子计算，一个共同且关键的技术瓶颈始终存在，如何高效、并行、高保真地对每个独立的量子比特进行寻址和操控？
传统的解决方案，如基于原子穿梭的时分复用控制方案，虽然能实现编程性，但其固有的低速性极大地限制了量子算法的运行效率，引入的“空闲时间”往往长达数百微秒。另一种方法是利用声光偏转器（AOD）进行光束扫描，虽然速度有所提升，但本质上仍是顺序操作，且难以长时间维持寻址光束与静态量子比特之间精确且稳定的空间对准。
因此，量子计算领域迫切需要一种全新的、可扩展的架构，能够彻底解决高速、高并行度和高精度控制之间的矛盾。
光纤阵列架构
为了破解上述难题，研究团队提出了一种创新性的“光纤阵列架构”。这一架构的核心理念是实现对阵列中所有原子量子比特的完全独立控制，给每个原子配一条“专属的光纤通道”，让每个原子的捕获激光与寻址激光均由同一光波导发射。
这一架构的设计妙处体现在：
稳健的控制。由于囚禁光和寻址光共享同一光路，任何由外部振动或热漂移引起的光束指向噪声，都会对两种激光产生共模效应，即它们会“同步”漂移。通过光学设计，这种共模噪声在最终光阱位置上的影响可以被极大地抑制，从而确保了量子比特控制的极高稳定性。
固有的空间对准。在传统方案中，寻址光束必须通过复杂的外部光学系统精确对准光阱中的原子。而在光纤阵列架构中，寻址光束的焦点与其囚禁光阱的中心位置是固有地绑定的，其对准精度仅取决于光学系统的加工和像差校正，最大限度地减少了光机元件漂移带来的误差。
卓越的可扩展性。该架构本质上是模块化的。通过简单地复制光纤通道及其连接的光学模块，就可以直接增加量子比特和控制信号的数量，为迈向大规模量子芯片提供了清晰且可行的路径。
实现并行操作。研究团队在每个光学模块中都加入了调控元件，通过改变寻址激光的振幅、频率和相位，就能单独操控对应原子的量子态，同时操控多根光纤的激光，就能实现任意数量原子的并行操作。
从“捕获原子”到“精准操控”全流程
研究团队以87Rb原子（量子计算中常用的碱金属原子）为研究对象，搭建了一套完整的实验系统，整个过程可以分为“原子装载-阵列重排-量子操控-结果检测”四个步骤。
图：实验方案，用于捕获、后置、操作和检测单原子阵列的基本实验装置
第一步：用“3D-MOT”捕获原子
研究团队采用了一套“三维磁光阱（3D-MOT）”，这是一种利用磁场和激光共同作用，将真空中的87Rb原子冷却到接近绝对零度并捕获的装置。
冷却后的原子会被随机装载到两个静态光镊阵列中，一个是光纤阵列生成的“主阵列”，用于量子计算，另一个是空间光调制器（SLM）生成的“储备阵列”，用于补充空缺原子，平均每个光镊的装载概率达到55%。
第二步：用“可移动光镊”排成无缺陷阵列
量子计算需要“无缺陷”的原子阵列。基于此，研究团队使用了一个由声光偏转器（AOD）控制的“可移动光镊”，他能够把SLM储备阵列中的原子移动到光纤主阵列的空缺位置。
通过这种“重排”，研究团队实现了10个原子的无缺陷排列，单次成功率高达76%。
第三步：解决“操控难题”，确保精准性
在操控过程中，研究团队还解决了两个关键技术问题：
一是“偏振控制”。不同实验阶段（如原子冷却、量子态操控、成像）对激光偏振态的要求不同。研究团队在光学模块中加入了“液晶可变延迟器（LCVR）”，能实时调节激光的偏振态，同时还实现了“魔幻强度捕获”。这是一种特殊的光镊强度，能最大限度减少激光对原子量子态的干扰，延长量子比特的相干时间。
二是“光强不均”。紧聚焦的寻址激光会导致原子所在位置的光强不均匀，影响操控精度。研究团队在光路中加入了一个1毫米的“中心孔径滤光片”，既能降低寻址激光边缘的光强，又不影响捕获激光，解决了光强不均的问题。
第四步：用“荧光成像”检测结果
实验的最后一步是“读取出原子的量子态”。
研究团队通过同一套光学系统收集原子发出的荧光，如果原子处于某个量子态，就会发出特定强度的荧光，用sCMOS相机拍摄后，通过分析荧光信号就能判断量子操控的结果。这种“非破坏性检测”能最大限度保留原子的量子态，方便后续重复实验。
验证底层架构的创新
经过反复实验，研究团队取得了重要成果，验证了光纤阵列架构的优越性。
（一）10个原子独立操控，保真度高达99.66%
“独立操控”是量子计算的基础。研究团队对10个原子分别施加寻址激光，观察它们的“拉比振荡”。当操控其中一个原子时，其他原子几乎没有振荡，说明串扰（相互影响）小于0.1%，最大串扰也仅为1%。
图：单原子量子比特阵列的单独寻址
为量化操控精度，研究团队采用“随机基准测试（RB）”。结果显示，10个原子的独立寻址单量子比特门平均保真度达到99.66%，单个原子的保真度最高可达99.8%。99.66%的保真度意味着每1000次操作中，误差仅约3.4次，这已经达到了实用化量子计算的要求。
（二）4个原子并行操控，保真度仍超99.6%
“并行操控”是提升量子计算速度的关键。研究团队从10个原子中随机挑选4个，同时对它们施加不同的量子门操作。实验结果显示，这4个原子的并行单量子比特门平均保真度达到99.61%，与独立操控的保真度几乎持平。
图：四个任意量子比特的并行寻址
这个结果打破了传统方案“并行必降精度”的瓶颈。之前AOD扫描方案最多只能同时操控少数几个原子，且保真度会明显下降。而光纤阵列架构能在保证精度的前提下，实现任意数量原子的并行操控，这为执行复杂量子电路（需要大量并行门操作）提供了可能。
（三）观测到“里德堡阻塞”，为双比特门铺路
量子计算不仅需要单比特门，还需要“双比特门”，而“里德堡阻塞”是实现双比特门的核心物理机制。
研究团队对相邻的两个原子进行里德堡激发实验。当单独激发其中一个原子时，它能正常进入里德堡态，当同时激发两个原子时，由于里德堡阻塞，两个原子无法同时处于里德堡态，表现出明显的“集体振荡”，这证明光纤阵列架构不仅能操控单比特，还具备实现双比特门的基础。
图：两个独立原子之间的里德堡激发和阻断
实验中，两个原子的拉比频率分别为2π×1.16MHz和2π×1.19MHz，阻塞效果接近完美，进一步验证了架构的可靠性。
应用前景：从专用计算到通用量子计算机
这项研究的突破性不仅体现在基础物理层面，更在于其广阔的应用前景。在目前NISQ时代，这种高并行性的操控能力可以显著提升随机量子电路采样等任务的效率，为展示量子优势提供有力工具。
从长远来看，结合高保真度的里德堡门操作，该架构为构建大规模通用量子计算机提供了可行的技术路径。特别是在需要大量并行操作的量子模拟、量子化学计算等领域，这种架构将发挥独特优势。
研究指出，光纤阵列固有的多通道特性使其天然适合量子网络应用。未来，可以通过量子纠缠连接多个这样的处理器，构建分布式的量子计算系统，突破单个处理器在量子比特数量上的限制。
主要研究人员
詹明生，中国科学院精密测量科学与技术创新研究院研究员，首席科学家。国家重点研发计划专项专家组成员。长期从事原子分子物理及基于原子的量子信息和精密测量研究。实现了单个原子和原子阵列的魔幻四禁、高保真量子门、异核原子量子纠缠、单个超冷分子的相千合成；设计建造了十米喷泉式冷原子千涉仪并高精度检验了弱等效原理；开发了多种原子干涉器件。已在Science、 Phys. Rev. Lett.等学术刊物上发表论文300多篇，获国内外授权发明专利20余项。
许鹏，中国科学院精密测量科学与技术创新研究院，研究员，国家级青年人才，国家重点研发计划（2016YFA0302800，2021YFA1402000）项目负责人，中国科学院青年创新促进会优秀会员，湖北省量子信息科学学会副理事长。长期从事基于单原子阵列的量子调控和量子计算的实验研究，解决了单原子阵列制备、两原子高精度量子逻辑门实现、异核原子内外态的高精度操控、异核原子的相干时间延长、并行寻址操控等一系列难题，实现了国际领先的、完备的异核单原子阵列的量子调控平台，合作发表相关的SCI论文多篇，包括Science，Nat.Commun.和Phys.Rev.Lett.。
[1]https://www.nature.com/articles/s41467-025-64738-8
[2]https://static-content.springer.com/esm/art%3A10.1038%2Fs41467-025-64738-8/MediaObjects/41467_2025_64738_MOESM2_ESM.pdf
[3]https://www.whiqt.org.cn/?m=home&c=View&a=index&aid=455
[4]https://apm.cas.cn/sourcedb/zw/rck/zgj_rck/202005/t20200529_5600400.html
