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動下持續升溫。而量子計算機更是其中創新zui為活躍的前沿陣地，并且多個技術路線并行發展，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業化的關鍵躍遷。

但是隨著量子比特數量的不斷擴展，如何實現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器AOD、聲光調制器AOM和多通道架構AOMC，能夠實現高速量子比特尋址、光束轉向和移頻——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，昊量光電持續關注量子計算前沿。在2025年，這篇發表于《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百個量子比特。

“動靜"光鑷協同

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，研究團隊巧妙地結合了兩種“動靜結合"的光鑷技術：由空間光調制器（SLM）構建大規模的靜態光鑷陣列，產生近12000個阱位（圖1）；同時，由聲光偏轉器（AOD）作為高靈活性的動態光鑷，精確執行原子的重構、尋址與高效傳輸。

圖1 大規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（Zone）的量子計算方案（圖2），分為存儲區（Storage）、相互作用區（Interaction）、讀取區（Readout）。在存儲區中，作為量子比特的銫原子通過AOD進行重構，將SLM陣列中隨機填充的原子重新排列整齊，實現12.6s的超長相干時間。存儲區內任何位置的原子可以憑借AOD的動態尋址功能，實現了原子從SLM靜態存儲位點到AOD的動態勢阱的高保真轉移，并在500μm以內相干運輸至對應的區域。

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

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模量子糾錯打下基礎。銫原子的光鑷轉移過程中，光阱轉移保真度達到了99.81(3)%。這離不開G&H紅外波段AODF 4085（圖3右）的優異性能，擁有30MHz的射頻帶寬也實現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，從而構建高梯度、強qiu禁的動態光鑷勢阱。

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內頻率迅速變化，晶體內部存在瞬時的“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架構。該示意圖展示了一種與AOD對角線移動兼容的分區布局。每條與特定 AOD 關聯的箭頭表示聲頻增加方向上的衍射軸。為了實現垂直方向（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。

這篇文章創新性地使用了二維AOD掃描系統進行對角線移動（Diagonal Motion）策略，而非傳統在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了在不犧牲速度的高保真度移動，在1.6ms內即完成了那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尺度下實現的精準調度，不僅展示了器件的物理極限，更為未來大規模量子比特陣列的動態互聯描繪了清晰的路徑。

昊量光電為您提供來自聲光技術領域企業——英國Gooch & Housego 公司聲光偏轉器AOD。作為G&H在中國地區的戰略合作伙伴，我們為您提供專業的選型以及技術服務。對于G&H及其聲光系列產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系，共同探討適合您系統的聲光產品選型與配置方案。

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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