精密测量院实现基于光纤阵列的中性原子量子计算新架构

    近日，精密测量院詹明生、许鹏团队在中性原子量子计算领域取得重要进展。该团队创新性提出并在实验上演示了一种基于光纤阵列的中性原子量子计算新架构，解决了原子量子计算难以同时实现高并行、高速率和高稳定性寻址操控的难题。相关成果发表在《自然-通讯》（Nature Communications）上，标志着我国在量子计算基础研究与核心器件开发方面取得了重要进展。 

    中性原子量子计算路线凭借优异的可扩展性、高保真度门操控、长相干时间以及可重构连接，已成为量子计算硬件的优势路线之一。与经典计算相似，寻址能力决定可编程性。因此，高质量的寻址操控不仅是运行各种量子算法推动量子计算应用的关键技术，也是实现通用、容错量子计算的基石。在中性原子量子计算路线中，现有的寻址方案还无法同时实现高并行、高速率、高稳定性的寻址操控。

    目前中性原子量子计算的寻址方案可以分为两种，第一种是“原子找激光”（原子穿梭）方案，通过原子在不同功能区的相干转移实现寻址，便于并行操作和非局域连接，但跨阱移动会显著增加量子门之间的闲置时间并引入原子加热，不利于深层操作；第二种是“激光找原子”（光束扫描）方案，利用声光偏转控制强聚焦的寻址光，可将闲置时间压至微秒量级，但并行寻址能力受限，且在长期精准对准与指向漂移控制方面存在技术挑战。

光纤阵列架构原子量子计算的基本原理和实验装置图

    面对这些挑战，研究团队独辟蹊径，设计出全新的光纤阵列架构。该架构的核心在于，为每个量子比特配置一条完全独立的控制通道，将每个原子比特的囚禁光和寻址光通过同一根单模光纤传输，并经由共享光路在真空中聚焦形成光镊。这种共路设计使得控制光束与原子陷阱在空间上天然对齐，从根本上消除了因机械振动或热漂移导致的光路失准问题，为实现稳定、独立的量子控制提供了物理保障。实验上，研究团队在64根光纤构成的阵列中，用其中10路演示了对10个单原子的寻址操控，其中每个原子的单比特门操作的平均保真度达到了 0.9966（3），4个随机选择的量子比特同时执行任意单比特门操作时，平均保真度依然可以达到 0.9961（4）。团队还实现了两原子间的里德堡态阻塞，为实现高保真两比特门奠定了物理基础。该架构未来可通过复制通道直接扩展，也可以采用3维光波导阵列与集成光子芯片技术进行扩展，为基于大规模可控单原子阵列量子计算提供全新的路径。

    与正文一道发表的匿名审稿人评审意见高度评价：“这是一项出色的工作，为实现大规模中性原子量子计算提供了一种极具前景的全新架构，该研究对量子计算领域具有重要而直接的贡献，同时也将对量子模拟、光与物质相互作用以及量子信息科学的研究产生广泛影响”。

    在发表的文章中，精密测量院助理研究员李潇为论文第一作者，研究员詹明生、许鹏为共同通讯作者。

    该研究得到了科技部重点研发项目、国家自然科学基金委、科技创新2030“量子通信与量子计算机”重大项目、湖北省“尖刀”技术攻关项目等的资助。

    论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-64738-8