量子计算610μm长程传输：解析6,100个原子阵列背后的G&H AOD

随着2025年“国际量子科学与技术年”正式落入时间长河，量子力学的百年辉煌完成了历史性的接力。步入2026年，量子科学的热度有增无减，随着全qiu投资激增和关键技术突破的双重驱动下持续升温。而量子计算机更是其中创新最为活跃的前沿阵地，并且多个技术路线并行发展，离子阱、中性原子、光量子、超导、硅基半导体各显神通，在不同应用场景下形成互补格局，推动从实验室验证迈向产业化的关键跃迁。

但是随着量子比特数量的不断扩展，如何实现对每个独立量子比特的高保真度和高速度的光学操作正成为一个问题。在2025年秋季Optics.org的Quantum Focus特刊中，声光领域标杆企业英国Gooch & Housego介绍了他们在量子控制领域的精密光子技术方面的领xian地位。G&H在量子领域的解决方案涵盖声光偏转器AOD、声光调制器AOM和多通道架构AOMC，能够实现高速量子比特寻址、光束转向和移频——这对于冷原子操控、离子阱控制以及光子与量子比特的相互作用至关重要。

作为G&H官方授权代理商，昊量光电持续关注量子计算前沿。在2025年，这篇发表于《Naure》的论文《A tweezer array with 6,100 highly coherent atomic qubits》引爆了学术圈，来自加州理工学院的研究团队创造了光镊阵列囚禁了6100个高相干的中性原子比特，而先前这种阵列仅能包含数百个量子比特。

“动静”光镊协同

这项研究在室温真空腔中，通过远失谐波长（1055nm & 1061nm）对铯-133原子进行高功率囚禁。在此之上，研究团队巧妙地结合了两种“动静结合”的光镊技术：由空间光调制器（SLM）构建大规模的静态光镊阵列，产生近12000个阱位（图1）；同时，由声光偏转器（AOD）作为高灵活性的动态光镊，精确执行原子的重构、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 16,000 次实验迭代后的平均图像

分区量子计算方案

此外研究团队提出了一种基于不同功能分区（Zone）的量子计算方案（图2），分为存储区（Storage）、相互作用区（Interaction）、读取区（Readout）。在存储区中，作为量子比特的铯原子通过AOD进行重构，将SLM阵列中随机填充的原子重新排列整齐，实现12.6s的超长相干时间。存储区内任何位置的原子可以凭借AOD的动态寻址功能，实现了原子从SLM静态存储位点到AOD的动态势阱的高保真转移，并在500μm以内相干运输至对应的区域。

图2 具备6,100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。

AODF 4085性能解析

本文中首先将原子装载到10个AOD光镊中，并表征了约610μm的相干移动过程（图3左），保真度达到了99.95%，而这也为将来的大规模量子纠错打下基础。铯原子的光镊转移过程中，光阱转移保真度达到了99.81(3)%。这离不开G&H红外波段AODF 4085（图3右）的优异性能，拥有30MHz的射频带宽也实现了单轴覆盖范围可达500–600 μm，而15mm的大输入孔径，为AOD带来很高的光学分辨率，从而构建高梯度、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。尽管直线移动的路径更短，但受限于柱状透镜效应，其执行速度慢于对角线移动。右.G&H AODF 4085 实物照片

性能抢先看

Gooch & Housego AODF 4085

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

对角线扫描策略

特别值得一提的是，为了获得超高的原子运输保真度，作者采取了一对正交的AOD 4085，通过对角线扫描的方案减少了柱面透镜效应。由于AOD的偏转角度与提供的射频信号的频率一一对应，在快速切换衍射角度运输原子的过程中，AOD内频率迅速变化，晶体内部存在瞬时的“频率梯度”，导致AOD的一级衍射光斑在扫描的轴向上发生类似透镜的畸变，因此称为柱面透镜效应。这种畸变会破坏光镊势阱的对称性，使得原子在高速传输中容易脱离束缚，从而限制了AOD的整体扫描速度。

图4基于对角线移动的分区架构。该示意图展示了一种与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。为了实现垂直方向（红色）的一组移动，需使用 AODx 和 AODy；而对于水平方向（绿色）的一组移动，则需使用 AODx' 和 AODy。

这篇文章创新性地使用了二维AOD扫描系统进行对角线移动（Diagonal Motion）策略，而非传统在X，Y两个方向上移动光镊（如图3,4所示）。通过两个正交的AOD 4085协同，在对角线移动的过程中，光镊在x和y方向上以相同的速率移动，将柱面透镜效应转化为球面透镜效应。虽然光镊焦点偏移带来的负面影响依然存在，但与单AOD直线移动的情况相比，该影响已大幅降低。研究团队利用这一策略实现了在不牺牲速度的高保真度移动，在1.6ms内即完成了那610μm的原子传输，相干性几乎无损失。

每一项伟大的量子突破，都离不开精密光学器件的支撑。G&H AOD在610 μm尺度下实现的精准调度，不仅展示了器件的物理极限，更为未来大规模量子比特阵列的动态互联描绘了清晰的路径。

昊量光电为您提供来自知名声光技术领域企业——英国Gooch & Housego 公司声光偏转器AOD。作为G&H在中国地区的战略合作伙伴，我们为您提供专业的选型以及技术服务。对于G&H及其声光系列产品有兴趣或者任何问题，都欢迎通过电话、电子邮件或者微信与我们联系，共同探讨适合您系统的声光产品选型与配置方案。

参考文献

1.Manetsch, Hannah J., et al. "A tweezer array with 6,100 highly coherent atomic qubits."Nature647.8088 (2025): 60-67.

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

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审核编辑 黄宇