量子计算机要想超越经典计算机，就需要更多的量子比特（qubit）。目前最先进的量子计算机拥有约1000个量子比特。哥伦比亚大学物理学家塞巴斯蒂安·威尔和于南方的目标则远不止于此。
威尔表示：“我们正在为实现拥有超过10万量子位的量子计算机奠定关键基础。”
中性原子阵列是构建量子计算机的一种快速发展的新兴平台。在由威尔实验室研究生亚伦·霍尔曼与于实验室研究生袁旭共同主导的基础研究中，团队成功捕获1000个锶原子，并验证其方法可扩展至十万量级以上。
这些原子未来或许能作为量子计算机中的量子比特——原子本身恰好非常适合这一角色。原子提供了一种强大的方式来构建量子计算机所需的量子特性，例如叠加态和纠缠态。每个原子都完全相同，因此无需耗费时间进行特性鉴定和同步——这对人工制造的量子比特而言是艰巨任务，其是在数量不断增加的情况下。
“原子是自然界自带的量子比特，完美相同且数量极其庞大。瓶颈始终在于如何实现大规模控制，”霍尔曼指出。
近十年来，研究人员一直利用所谓的“光学镊子阵列”捕获原子。本质上，单个“光镊”是由高度聚焦的激光束在焦点处捕获单个原子。光镊阵列由多个独立光镊组成，通常通过空间光调制器（SLM）或声光偏转器（AOD）生成。
利用这些技术，加州理工学院的一个团队最近成功制备出包含6100个被困原子的阵列，并证明这些原子能够成功作为量子比特运行。
威尔表示：“他们的报告是一项了不起的成就。借助我们的超表面镊子阵列技术，我们希望将中性原子阵列的规模进一步扩大，甚至可能突破十万个原子的限制。”
这种规模化源于一种全新的光镊阵列生成方法：超表面技术。超表面是由纳米级“像素”构成的二维平面光学装置。当单束光线穿过超表面时，这些像素会将其塑造成独特的光学图案。
在当前研究中，像素尺寸远小于其操控的光波长：仅200纳米以下，而光镊所用光波长达520纳米。这意味着它们能直接生成光镊阵列；而空间光调制器（SLM）和相位调制器（AOD）方案则需额外配备笨重昂贵的设备，且会限制阵列的最终尺寸。
示意图展示了超表面如何一步将单束光分割成多束聚焦光束。这些光束构成一系列光镊，用于将单个原子捕获到具有任意几何形状的阵列中。
于表示：“这项研究中使用的超表面可视为在同一平面上叠加数万个平面透镜的组合，这些透镜的焦斑位置各不相同，因此当激光束入射时，单个超表面可同时产生数万个焦斑。”
这种由氮化硅和二氧化钛制成的超表面，还能承受光强超过2000瓦/平方毫米的强激光——这相当于太阳光到达地球时强度的百万倍。
徐指出：“超表面的高功率处理能力，结合洁净室纳米制造技术可实现更大尺寸、更高精度的器件规模化生产，使我们的平台具备独特优势，能够实现大规模可扩展的光镊阵列。”
在论文中，研究团队通过将原子困入多个高度均匀的二维阵列，展示了该超表面光镊平台的多功能性。这些图案包括：拥有1024个位点的方形晶格；含数百个位点的准晶体与自由女神像图案；以及原子间距不足1.5微米的圆形结构。
该团队还创建了一个直径为3.5毫米的超表面，其包含超过1亿个像素点，可生成600×600的光学镊子阵列：总计达36万个光镊，其数量级比现有技术高出两个数量级。
威尔和于认为中性原子阵列的可扩展性已具现实路径，这不仅能推动量子计算机发展，还将惠及其他中性原子量子技术——例如帮助科学家模拟复杂量子多体现象的量子模拟器，以及可部署于实验室外的精密光学原子钟。
下一步计划？团队已准备好挑战更大规模的原子阵列，只需更强大的激光即可实现。
威尔表示：“要捕获十万个原子，我们需要比现有设备更强大的激光器，但这完全在可实现范围内。”
