超表面不再只是用来改造光束、调控光线的光学器件，现在它能够直接生成大规模光镊阵列，把一个个中性原子定点囚禁、整齐排布，解决了中性原子量子计算最难的扩容难题，让量子比特数量有望一口气提升两个数量级，推动容错量子计算向前迈进一大步。过去中性原子量子计算想要增加量子比特，依靠空间光调制器制造光镊，但是空间光调制器像素偏大，生成的光镊数量有限，整套光路体积庞大、结构复杂，很难同时稳定囚禁上万、十万量级的原子；而超表面上面布满纳米级亚波长光学单元，可以直接把一束入射激光转换成大量独立的光镊，不用额外搭配笨重的显微物镜，光场均匀度更好，陷阱位置可以自由设计，把制约量子比特扩容的卡点，从光镊生成硬件转移到激光功率供给上。
传统光镊方案短板
- 器件像素大：空间光调制器像素普遍在 4～20 微米，很难做出足够陡峭的相位梯度，光镊聚焦精度受限
- 阵列规模上限低：常规方案大多只能做到几千个光镊，很难稳定突破万级
- 系统臃肿：整套光路需要多个光学元件配合，调试难度高，不利于工程化集成
超表面实现原子操控的工作步骤
- 芯片制备：在超表面上加工上亿个尺寸几百纳米以内的纳米柱像素，不同纳米柱负责调整入射激光的相位。
- 入射激光调制：单束激光打到这块平面超表面，经过纳米单元调制之后，光束自动分成大量聚焦光斑，也就是光镊。
- 原子装载囚禁：冷中性原子被送入这片区域，落入光镊焦点，被牢牢困住，形成二维原子阵列。
- 原子筛选与重排：筛选出成功捕获的单原子，通过配套光路调整，把原子排布成规整、无缺陷的点阵。
- 量子操控运算：利用额外激光对囚禁好的原子施加脉冲，完成量子门、纠缠制备，执行量子计算或者量子模拟。
当前关键成果清单
- 哥伦比亚大学团队：实现原型芯片，原理上可支撑 36 万个光镊陷阱，验证十万比特路线可行
- 清华大学联合两仪万象：依靠单块超表面稳定捕获 11000 个原子，刷新原子捕获世界纪录
- 璇相科技：推出百万级光镊位点超表面芯片，单芯片就能够生成百万光镊阵列
- 超表面光镊优势：阵列排布样式自由、陷阱间距最小可以做到 1.5 微米，光镊深度一致性高
现存待解决难点
就算超表面解决了光镊生成的问题，还有不少工程关卡。第一，想要填满全部光镊位置、稳定装载十几万甚至上百万原子，对激光功率要求很高；第二，长时间运行时原子容易丢失，无缺陷阵列的制备、维持难度很大；第三，大规模阵列里面原子之间的串扰、量子门保真度，都需要持续优化；第四，整套真空、冷却、控制系统，还没有适配百万级光镊阵列。
长远来看，超表面这条路线给中性原子量子计算提供了芯片化、小型化的方案。如果后续可以稳定实现十万乃至百万量级可控原子比特，通用容错量子计算的落地节奏会明显加快，同时这套技术还可以用到量子精密测量、量子模拟等方向。
【相关 FAQ】
问题 1：超表面是依靠什么原理操控原子，用于中性原子量子计算？
回答 1：超表面依靠上面海量亚波长纳米单元调制激光波前，一次性生成大量光镊，依靠光的梯度力抓住单个中性原子，把原子定点固定在光镊当中作为量子比特，以此完成量子计算所需要的原子排布与操控。
问题 2：相比传统空间光调制器，用于量子计算的超表面光镊最大优势是什么？
回答 2：用于量子计算的超表面光镊像素更小，等效数值孔径更高，可以在单块芯片上生成规模大得多的光镊阵列，省去复杂的聚焦光路，系统更紧凑，能够把量子比特扩容上限拉高两个数量级。
问题 3：搭载超表面光镊的中性原子量子计算什么时候能实现容错？
回答 3：目前超表面已经证明大规模光镊阵列在原理可行，但还需要解决原子稳定装载、低串扰量子门、足够激光供给等工程难题；行业普遍认为，稳定可控的十万级以上原子比特，才是迈向容错量子计算的关键门槛。
【参考资料】
[2026-10-27]（从操控光到操控原子：超表面正在改写量子计算的 “排兵布阵”）OFweek 电子工程网
[2026-06-24]（首款百万级超表面光镊芯片在沪诞生）人民网
[2026-06-08]（两仪万象联合清华大学刷新原子捕获数目世界纪录）北京经济技术开发区融媒体中心
[2026-01-19]（可扩展中性原子阵列技术获验证）中国科学院
【免责声明】
本文内容仅为前沿科技信息科普，不构成任何投资、技术落地承诺；相关超表面量子计算技术仍处在科研验证与工程攻关阶段，未来实际性能、产业化时间存在不确定性；文中数据来源于公开报道与预印本论文，后续研究更新可能改变相关结论。
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评论列表（4条）
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希望本篇文章《超表面用光镊阵列实现原子精准排布，突破中性原子量子计算扩容瓶颈》能对你有所帮助！
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本文概览：超表面不再只是用来改造光束、调控光线的光学器件，现在它能够直接生成大规模光镊阵列，把一个个中性原子定点囚禁、整齐排布，解决了中性原子量子计算最难的扩容难题，让量子比特数量有望一口气提升两个数量级，推动容错量子计算向前迈进一大步。过去中性原子量子计算想要增加量子比特，依靠空间光调制器制造光镊，但是空间光调制器像素偏大，生成的光镊数量有限，整套光路体积庞大、结构复杂，很难同时稳定囚禁上万、十万量级的原子；而超表面上面布满纳米级亚波长光学单元，可以直接把一束入射激光转换成大量独立的光镊，不用额外搭配笨重的显微物镜，光场均匀度更好，陷阱位置可以自由设计，把制约量子比特扩容的卡点，从光镊生成硬件转移到激光功率供给上。