为中性量子计算机建造的2000路可控激光系统
弗劳恩霍夫激光技术研究所为斯图加特大学第五物理研究所目前在建的一台量子计算机，开发了一套高度复杂的激光光学系统。该系统能够将 2000 个里德堡原子以亚微米级精度定位在计算机高度紧凑的真空腔体内。系统向腔体内投射出一组由 2000 个可独立控制的激光束组成的阵列。这些激光束充当光镊，将捕获的里德堡原子原子精确地保持在彼此相互作用所需的距离上。计算机的量子逻辑处理正是基于这些相互作用实现的。
任务十分艰巨：开发一套系统，能够利用光镊控制 2,000 个被捕获的锶原子，并在高激发量子计算机的真空腔体内将它们定位到精度高于 100 nm 的位置。真空腔体是计算机的处理单元，在其中，两个相邻原子通过激光激发进入一种彼此相互作用的状态。这些相互作用可以被控制和测量。科学家称之为双量子比特逻辑门；它们是高激发量子计算机中量子逻辑门的基本构成单元。
里德堡原子特别适合用于量子计算。在激光激发状态下，它们的尺寸超过 1 µm，因为激发后，其最外层电子会短暂地移动到远离原子核的轨道上，但仍受到束缚。然而，由于外层电子的束缚较弱，这些原子对电场非常敏感，而电场也可能来自邻近原子。科学家正利用这一特性，对量子操作进行高度精确的电磁控制。
获得专利的量子比特方案
斯图加特大学第五物理研究所由 Florian Meinert 博士和 Tilman Pfau 教授领导的团队，正在致力于构建一台基于里德堡原子的通用量子计算机。该计算机采用一种已获专利的精细结构量子比特方案，该方案基于 592 nm 的魔术波长。在此波长下，量子比特的两个状态以及高激发态在光镊中受到的束缚强度相同，从而使系统具有特别高的稳定性。如果试图用激光同时将一对量子比特激发到高激发态，由于两者之间的强相互作用，其中一个原子会发生激发阻塞。这正是该团队目前在斯图加特正在建造和测试的演示样机中计算操作的基础。开头所述的任务是为了实现该计算机的规模扩展：所涉及的光学系统旨在用 2,000 束激光固定原子位置，并使团队能够在持续计算过程中重新排列由 20 × 100 个激光焦点及其上搭载的量子比特所形成的阵列。为确保与阵列中相邻原子实现最佳相互作用，它们之间的间距被精确设定为 3.5 µm。
高度复杂的激光光学系统设计
为了在量子门中实现高效纠错，2,000 束激光中的每一束都必须能够独立控制。但这绝不能以牺牲精度为代价：激光焦点之间的距离需精确限定在 < 100 nm 以内，以确保激发原子之间能够实现快速、可靠切换的相互作用。
弗劳恩霍夫激光技术研究所（Fraunhofer ILT）接受了斯图加特研究团队提出的挑战，并基于全面的模拟计算，开发并设计了相应的激光光学系统。组装完成后，在交付前进行了全面测试。在调试过程中无需再做任何调整。在量子计算机的整体设计中，仅为该光学系统分配了 1 平方米的空间，而该系统由 150 多个光学元件组成。亚琛团队也满足了这一要求，并已在现场成功完成紧凑型系统的调试。
事实上，他们成功开发出了由 20 行、每行 100 个可独立控制的激光焦点构成的阵列，焦点间距满足所需的 3.5 µm。为实现这一点，该装置——包含级联分束器、声光偏转器、透镜和反射镜——将最初输入的 4 束激光逐步分成所需的 2,000 束可独立控制的光束。由此产生阵列的中间像，该中间像通过反射镜导入一个中继单元。该单元以 50 倍缩小率将中间像投射到真空腔体内，其中 2,000 个焦点作为光镊使用。补充说明一下，聚焦后的光会对原子产生吸引力。当焦点移动时，原子也随之移动。美国研究人员 Arthur Ashkin 和 Steven Chu 因其对光镊发明所作出的贡献而被授予诺贝尔物理学奖。
初始的 4 束激光被分成 2,000 束
“一个挑战是将输入的 4 束准直激光——总功率为 20 W——分成 2,000 束功率相等的可独立控制光束，”弗劳恩霍夫激光技术研究所光学设计与二极管激光器研究组组长 Martin Traub 博士报告说。为实现这一点，每束光首先通过所谓的分束立方体。在第一步中，这些立方体将 20% 的光以 90° 角偏转，并允许剩余 80% 的光通过到另一个立方体，在那里再次分束。对每一束激光，该过程重复五次，从而产生 20 束功率相等的平行光束。这些光束随后通过声光偏转器（AOD），在声学激励的晶体中通过衍射被分束和偏转。“声波会引起晶体中折射率的周期性调制，”他解释说。
这样就产生了一个可控的光栅，其中输出激光束的偏转角可通过声频变化，功率分配可通过振幅变化来调节。通过 100 种不同的频率，产生 100 种不同的偏转角；输入的 20 束激光中的每一束都被 AOD 分成 100 个子光束，这些子光束同样可以独立控制。
定制的高精度阶梯反射镜
从 100 个子光束到可独立控制的激光焦点，还需要经过一系列额外的光学元件。首先，一个傅里叶透镜将光束转换为远心点阵图案。然而，由于分束立方体和声光偏转器的尺寸限制，该图案会过大，无法在真空腔体内以所需的 3.5 µm 间距定位单个原子。因此需要进一步的光学巧妙设计：2,000 束激光被引导至一个分段式反射镜上，该反射镜具有逐级缩小的阶梯结构，最终每级反射镜面仅有几百微米大小。在这一级联过程中，光点间距被缩小到不足 200 µm。但即便如此仍不够，还需要再缩小 50 倍。
“我们通过一个潜望镜反射镜将中间像引导到第二个平面上，在那里由两级远心中继单元进行缩小并投射到真空腔体中，”Traub 解释说。为了实现阵列中所需要的微米级间距，团队将其丰富的专业知识应用于系统设计、光学元件的制造以及组装和校准。他们采用了一个六轴驱动系统（hexapod system，配有六个执行器）以所需精度校准反射镜。该系统可以在三个空间方向和角度上自由调节反射镜，这是一项极为精细的工作，因为光学元件校准中哪怕最微小的偏差都会导致阵列内间距错误。这会直接损害计算性能，因为位置偏移的量子比特将无法再发挥其逻辑功能。而这一点恰恰至关重要：每增加一个逻辑量子比特，量子计算机的潜在性能就会呈指数级增长。
弗劳恩霍夫激光技术研究所多年积累的专业知识为解决方案做出了重大贡献
“我们之所以能够成功设计并实施该系统，完全得益于弗劳恩霍夫激光技术研究所在其 40 年历史中积累的丰富专业知识，”Traub 报告说。这表明激光和光学作为未来量子技术领域的基石和推动要素是多么核心。“这同样适用于我们近乎无噪声的量子频率转换器——这是最近在亚琛投入使用的未来量子互联网的一个网络节点，以及我们研究所已经开发出的、采用选择性激光诱导刻蚀（SLE）工艺由石英玻璃制成的量子处理器离子阱芯片，”弗劳恩霍夫激光技术研究所战略量子技术任务负责人 Bernd Jungbluth 博士补充道。与里德堡原子类似，离子具有的优势是它们本身不存在制造差异，且相干时间长，这使得离子阱和里德堡原子量子计算机在量子技术领域正受到越来越多的关注。激光和光学技术为这两种方案奠定了基础。
在一个由 20 行、每行 100 个可独立控制的激光焦点组成的阵列中，里德堡原子可以按所需的 3.5 µm 间距相互定位。为实现这一点，该装置——包含级联分束器、声光偏转器、透镜和反射镜——将最初输入的 4 束激光分成 2,000 束可独立控制的光束。
激光束被引导至一个分段式反射镜上，该反射镜的阶梯尺寸逐级缩小，最终阶梯仅几百 µm。在这一级联过程中，2,000 个光点之间的间距被缩小到不足 200 µm。但即便如此仍不够，还需要再缩小 50 倍。
一个配备六个执行器的六轴驱动系统被用于以所需精度校准反射镜。该系统可以在三个空间方向和角度上自由调节反射镜。
原文出处：https://www.ilt.fraunhofer.de/en/press/press-releases/2026/7-6-laseroptics-rydberg-quantumcomputer-university-of-stuttgart.html
