在量子计算领域，中性原子方案的扩展竞赛中，光镊阵列构成了最基础的空间支撑体系。每个光镊本质上是一束高度汇聚的激光，在真空环境中形成微型陷阱，能够将单个冷原子稳定囚禁在光镊焦点处。如果原子无法被有效捕获，后续的原子装载、重排、操控以及量子态读出等所有操作都将无从谈起。

2025 年 9 月，加州理工学院的 Manuel Endres 研究团队借助两台空间光调制器（spatial light modulator, SLM），成功构建了约 12,000 个光镊位点，并囚禁了 6,100 个铯原子，刷新了当时中性原子阵列的规模纪录。不久之后，哥伦比亚大学和清华大学的科研团队，先后基于超表面（metasurface）技术路线，分别演示了 36 万和 7.84 万个光镊位点的生成能力。超表面正逐步成为突破光镊阵列规模上限的全新解决方案。

近日，璇相科技正式发布了一款百万级超表面光镊阵列芯片，并携手专注于中性原子量子计算的中器无量公司，在真实的实验平台上成功完成了系统适配与光场验证。这款仅有指尖大小的芯片，在直径约 4 毫米的工作区域内，生成了百万数量级的光镊位点。这是目前公开报道中，超表面光镊阵列所达到的最大规模。

光镊数量的多寡，直接决定了中性原子量子计算的发展前景

中性原子量子计算的核心思路，是利用光镊阵列将冷却后的原子逐个囚禁于真空中，随后通过激光将原子激发至高能的里德堡态（Rydberg state），并借助原子间的长程相互作用来实现量子门操控。目前，QuEra、Atom Computing、Pasqal 等国际知名量子计算公司均在这条技术路线上布局。

该技术路线的扩展性瓶颈，长期受限于光镊的生成方式。

主流方案主要依赖 SLM 或声光偏转器（acousto-optic deflector, AOD）。SLM 的典型像素尺寸通常在 4 至 20 微米之间，受限于有效数值孔径（numerical aperture, NA），为了将光束聚焦到足以稳定囚禁单个原子的微米级焦点，必须借助多级中继光学系统来逐级缩小光斑。然而，额外增加的光学元件会引入功率损耗、像差以及视场限制等问题。

加州理工实现 6,100 原子捕获的实验，动用了两台 SLM 和一套 NA 为 0.65 的物镜，视场直径仅为 1.5 毫米，而总激光功率却超过了 100 瓦。根据哥伦比亚大学研究团队的此前估算，SLM 大约需要 300 个像素才能稳定生成一个高质量的陷阱，一台拥有 4,000×4,000 像素的高端 SLM，最多只能产生约 5 万个高均匀性（> 95%）的陷阱。AOD 的情况也类似，其光束几何形状存在限制，一旦规模超过万级，功率和均匀性都会面临严峻挑战。

相比之下，超表面提供了一种截然不同的技术路径。

将光路设计融入纳米级结构

超表面是一种由亚波长尺寸纳米柱阵列构成的平面光学器件，每一个纳米柱都能精确调控穿过它的光波相位。当一束激光照射其上，数亿个纳米级别的“像素”协同运作，直接在焦平面上形成预先设计好的光强分布。

（来源：璇相科技）

与 SLM 相比，超表面的像素尺寸可以小至几百纳米，远小于工作波长，这意味着它能实现更大的有效 NA、更紧致的焦点，以及在相同面积内容纳更多光镊位点的能力。更为关键的是，超表面能够省去复杂的中继光学系统，直接将光镊阵列投射到原子工作区域。不过，超表面属于被动光学器件，其图案在制造完成后即固定不变，动态重排和原子寻址仍需依赖 AOD 等主动器件配合，它所解决的核心问题是实现大规模光场的一次性生成。

璇相科技此次发布的芯片，专门针对 1064 纳米波段进行了优化，器件口径接近厘米级，有效数值孔径约为 0.65。在直径约 4 毫米的有效工作区域内，无需经过中继光路，即可直接生成百万级的光镊位点。

要让数亿个光学单元在此尺度上协同工作，必须同时解决超大规模电磁设计、版图生成、微纳制造以及全片一致性等系列难题。为此，璇相科技建立了 AI 辅助仿真与设计工具链，依托 GPU 集群高效完成了光学单元设计、全片版图生成以及参数优化。相较于自由空间方案中需要大量分立元件分别进行调光和对准，这款芯片将光场生成功能集成于单个平面器件中，从而显著降低了系统搭建和维护的复杂度。

（来源：璇相科技）

验证进展到了哪个阶段

对于一款面向量子系统的光学芯片而言，实验室内的光场测量仅仅是第一步。它还必须经历真实原子平台在耦合效率、光路几何、物镜视场、成像链路以及系统稳定性等方面的严苛考验。

本次验证中，璇相科技负责芯片设计与制造，中器无量则基于其中性原子实验平台，完成了激光器、超大视场物镜、真空腔以及测试光路的相关适配工作。核心突破之一在于，成功解决了传统中继光路在超大视场下存在的 relay 难题，芯片能够直接将光镊阵列投射至原子工作区域。此外，另一家中性原子量子计算企业太一量生也导入了相关芯片，并独立完成了大规模光镊阵列的测量与验证，为评估芯片在不同系统条件下的性能提供了重要的参考依据。

测试使用了数百瓦级别的激光功率链路。阵列均匀性达到了 90% 量级，但璇相科技强调，当前数据包含了超大视场物镜、真空腔窗口、relay 光路以及测量照明链路等引入的系统级非均匀性，不能简单等同于芯片本征均匀性。“现阶段的主要波动更多源于测试光路和超大视场成像条件，而非单个光镊的设计能力。”后续将通过平场标定、波前补偿以及系统级校正，进一步给出正式的均匀性指标。

需要特别明确的是，本次验证聚焦于百万级光镊位点在真实平台中的光场生成与系统适配能力，而并非代表“已经实现了百万单原子装载”。原子是否被成功装载、装载率高低以及存活时间长短，将是下一阶段需要着力解决的关键问题。

图｜百万级光镊阵列实测结果图（来源：中器无量）

从光镊到量子比特，中间需要跨越多道门槛

拥有百万个光镊位点是迈向大规模原子阵列的前置能力，但要将这些位点真正转化为可用的计算资源，整个系统仍需克服多重挑战。

首要关卡是原子装载效率。当前，中性原子系统的单次装载率通常维持在 50% 至 60% 之间，要想填满一个大规模阵列，必须依赖多轮装载以及实时的原子重排技术。

其次是阵列重排与长期维护。原子会因背景气体碰撞和光子散射而丢失，系统需要持续进行空位检测并及时补充原子。

第三是量子门操控与读出保真度。加州理工的实验已实现了单量子比特操控 99.98% 的高准确率，但双量子比特门的保真度在全行业范围内仍然是一个核心瓶颈。随后，还需要考虑纠错架构的兼容性，这决定了物理量子比特能否被有效转化为逻辑量子比特。

针对这些问题，璇相科技判断：决定可用原子数目的因素并不仅仅是总激光功率，还包括芯片衍射效率、物镜视场与透过率、真空腔窗口损耗、阵列均匀性、原子装载效率以及重排效率等众多系统级因素。光镊芯片的核心价值在于解决“先把足够多的位点构建出来”这一环节，而原子能否高效入位并稳定工作，仍然高度依赖于光学系统、装载过程、操控技术以及控制系统之间的协同优化。

璇相科技下一阶段的规划主要聚焦于三个方向：一是提升超大视场物镜和系统光路的能力，改善百万级阵列的有效工作区域与光场质量；二是推进十万级及以上单原子的确定性装载、阵列重排以及稳定运行的验证工作；三是围绕芯片化光学器件在原子操控和光场整形中的更多功能开展验证。

公司计划首先将重点放在十万级原子阵列这个更具工程可验证性的阶段目标上，再循序渐进地攻克百万原子阵列所需的工程难题。“现有激光功率与芯片效率已经具备支撑数十万级原子阵列的潜力，”团队表示，“下一阶段的重点在于进一步优化超大视场物镜和系统光路，提升有效视场内的可用光功率与阵列质量。”

在过去，大规模光镊阵列被视为精密自由空间光学系统的产物，其扩展依赖于搭建更加复杂的光路。如今，当部分光场生成能力被集成到芯片中，核心问题开始从“如何搭建光路”转向“如何制造并迭代一类新型器件”。对于中性原子量子计算而言，这或许意味着一种制造范式的潜在变革。