新型光学腔体实现原子级高效光操控

由美国斯坦福大学领导的团队开发出一种新型光学腔体，可进行原子级高效光操控——从单个原子收集光子。这些原子存储着量子比特，即普通计算机中“0”和“1”的量子版本，被视为量子计算机的基本构成单元。该研究首次实现了所有量子比特同时“提取信息”。相关研究成果以《A cavity-array microscope for parallel single-atom interfacing》为题，发表于最新《自然》杂志。

能够快速读取量子信息，是建造量子计算机的前提。此前，尚无实用方法可大规模实现这一目标，因为原子发射光的速度不够快，且光子会向四面八方散射。光学腔体能有效地将发射光引导至特定方向。如今，研究团队找到了为每个原子配备独立光学腔的方法，这为量子计算机的构建开辟了新路径。

光学腔体由两个或多个反射面构成，使光线在其间多次反射，类似于人站在两面镜子之间，能看到自身影像被无限重复。与游乐场的镜子不同，光学腔体尺寸微小，利用激光束的反复反射从原子中获取更多信息。数十年来，科学家一直尝试通过光学腔体实现足够多次的光—原子相互作用。

为此，团队采用了不同思路：他们在每个腔体内使用微透镜，将光线更紧密地聚焦在单个原子上。这种方法虽减少了光的反射次数，却更有效地从原子中提取量子信息。据估计，量子计算机需要数百万个量子比特才能超越经典超级计算机。实现这一规模可能需要将多台量子计算机联网。团队此次构建了一个包含40个独立原子量子比特的光学腔阵列，以及一个拥有500多个腔体的原型系统。这一进展表明，未来有望构建出包含百万级量子比特的量子计算机网络。

本研究利用光学腔体建立并行接口，为实现大规模扩展提供了高效平台。展望未来，团队设想建立量子数据中心，每台量子计算机都配备由光学腔阵列构成的网络接口，从而整合成大规模量子超级计算机。

相关链接：https://www.nature.com/articles/s41586-025-10035-9