光镊阵列已成为量子计算、量子模拟和量子计量的关键实验平台，能够对单原子和单分子实现前所未有的控制。然而，随着研究从原理验证迈向实用化，一个严峻的挑战摆在所有科学家面前，那就是如何将原子捕获的规模从几百、几千扩展到数万甚至数十万？
1月14日，哥伦比亚大学的研究团队在《Nature》期刊上发表题为“Trapping of single atoms in metasurface optical tweezer arrays”（超表面光镊阵列中的单原子捕获）的研究论文，Aaron Holman、许渊为论文共同第一作者，虞南方、Sebastian Will为论文共同通讯作者。
本研究展示了在利用全息超表面生成的光镊阵列中捕获单锶（Sr）原子。研究实现了拥有超过100个单原子的二维阵列，这些原子排列在任意几何形状中，陷阱间距小至1.5µm。这些阵列在陷阱深度、陷阱频率和位置精度方面具有高度一致性，足以媲美或超越现有方法。这得益于由高折射率材料（富硅氮化硅和二氧化钛）制造的高效率全息超表面。
通过解析和数值方法，研究发现这些超表面的亚波长像素尺寸允许光镊阵列的规模远超当前能力。作为演示，研究实现了一个拥有360000个陷阱的光镊阵列。这些进展克服了实现可扩展中性原子量子技术的关键障碍。
“超表面高功率处理能力，加之洁净室纳米加工技术的可扩展性，使得我们能够制造出尺寸更大、精度更高的设备，从而使我们的平台具备实现大规模可扩展光学镊阵列的独特优势。我们正在为实现超过10万个量子比特的量子计算机奠定关键基础。”论文作者表示。
研究背景
量子计算的终极目标是处理具有实际意义的复杂问题，而这通常需要数以百万计的物理量子比特来实现纠错。
近十年来，研究人员利用所谓的光镊阵列来捕捉原子。实质上，单个“光镊”是由一束高度聚焦的激光束构成，它能将单个原子牢牢固定在焦点位置。光镊阵列则由许多个独立的镊子组成，这些镊子通常是通过空间光调制器（SLM）或声光偏转器（AOD）生成的。
此前，利用这些技术，加州理工学院的研究团队发表在《Nature》上的研究实现了包含6100个捕获原子的光镊阵列，并证明它们可以作为量子比特起作用。这已经是目前原子量子计算中原子比特数目的记录。
“他们的报告是一项令人惊叹的成就。”论文通讯作者Will表示，“通过我们的超表面镊子阵列方法，我们希望进一步扩展中性原子阵列，甚至可能超过10万颗原子。”
紧随其后，清华大学团队也利用光学超表面技术，实现78400个光镊组成的光镊阵列，使原子量子计算的比特数目可扩展性瓶颈不再是受限于光镊产生的能力。
当然，如果要进一步扩展，光学系统的复杂度和体积将呈指数级增长。因此，研究人员一直在寻找一种能够集成光束生成与聚焦功能、具备高光学效率且易于扩展的新方案。
用于光镊的超表面
超表面（Metasurfaces）是一种由亚波长尺度的人造纳米结构（被称为“超原子”）组成的二维平面光学器件。如果说传统的透镜是通过厚度的变化来控制光线，那么超表面则是通过在极薄的平面上精确排列数以亿计的纳米柱，直接对光的相位、振幅和偏振进行“像素级”的精准调控。
在本项研究中，团队开发了两种基于高效介质材料的全息超表面：
-富硅氮化硅（SRN）：这种材料具有极高的折射率，其光强处理能力可达25W/mm²，且与成熟的CMOS工艺兼容，适合大规模制造。
-二氧化钛（TiO₂）：具有更高的功率耐受度（2000 W/mm²）和更优的光学性能，能够承受捕获成千上万原子所需的高功率激光。
这些材料的高折射率特性确保了超表面的高衍射效率（约60%），而亚波长尺寸的超原子设计则让光镊陷阱的聚焦精度达到衍射极限。
在设计上，研究团队通过改进的格尔奇伯格-萨克斯顿算法优化超表面的相位分布，使单一平面器件同时实现光镊阵列的生成与聚焦功能。超原子以290nm的间距排列成二维网格，每个超原子的宽度在100-190nm之间可调，能够为入射激光施加0-2π范围内的连续相位延迟，从而在焦平面形成任意几何结构的陷阱阵列。
图：超表面光镊阵列工作原理与器件结构
更为巧妙的是，多个超表面被集成在18mm×18mm的小型衬底上，通过简单的平移操作即可快速切换不同的陷阱图案，极大提升了实验灵活性。
与传统光镊系统相比，超表面光镊具有三大核心优势：
-无需复杂的中继光学和缩倍系统，凭借自身0.6以上的高数值孔径即可直接生成紧密聚焦的陷阱；
-体积紧凑，器件尺寸仅为传统系统的千分之一，为量子设备的小型化奠定基础；
-功率处理能力强，能够承受更高强度的激光照射，为大规模阵列提供充足的光场能量。
单原子捕获与表征
研究团队选择锶原子作为捕获对象，利用其独特的能级结构实现高效冷却和探测，成功验证了超表面光镊的单原子操控能力。
实验中，研究人员首先通过二维磁光阱生成冷原子束，再经三维磁光阱和窄线冷却技术，将锶原子冷却至微开尔文量级（接近绝对零度），为原子捕获创造条件。随后，波长为520nm的激光束经声光调制器调控后照射超表面，在超高真空玻璃池中形成密集的光镊陷阱阵列，原子被精准捕获到这些“微观牢笼”中。通过荧光成像技术，研究团队成功观测到原子在陷阱中的分布，实现了对单原子的可视化探测。
为确保每个陷阱中仅捕获一个原子，研究团队采用了宇称投影技术。初始装载时，每个陷阱中的原子数量随机分布，通过激光诱导原子形成分子态并成对损失，最终使奇数个原子的陷阱保留一个原子，偶数个原子的陷阱变为空陷阱。
实验结果显示，经过宇称投影后，41%的陷阱成功捕获单原子，单个阵列中可稳定存在超过100个单原子，且原子探测保真度高达95%以上，在小型4×4阵列中更是达到99.8%的超高保真度。
阵列均匀性的表征结果同样令人振奋。通过将捕获的原子作为“微观探针”，研究团队测量了16×16阵列中每个陷阱的深度、频率和位置精度：
陷阱深度的标准偏差仅为7.5%，径向和轴向陷阱频率的标准偏差分别为5%和8%，而位置误差相对于4nm的陷阱间距仅为1.5%，与锶原子的振动波函数范围相当。这种均匀性水平不仅媲美甚至超越了传统光镊技术，更为后续量子操控的一致性提供了保障。
图：16×16阵列的单原子制备与探测结果
此外，研究团队还成功实现了多样化的阵列几何结构，从自由女神像的任意图案、准晶体的非周期结构，到紧密排列的项链图案（最小间距1.45µm），展示了超表面光镊的灵活设计能力。
图：超表面生成的多样化原子捕获阵列
超表面光镊阵列的可扩展性
超表面光镊阵列实现从万级到十万级的规模跨越，核心优势在于亚波长像素设计带来的高数值孔径和高像素密度。研究团队通过理论分析和数值模拟，表明像素尺寸与光镊阵列性能的关键关系，为规模化扩展提供了坚实的理论支撑。
传统光束整形器件，如SLM、DMD的像素尺寸通常在4-20µm，远大于光的波长520nm，这导致其无法重现透镜边缘的陡峭相位梯度，有效数值孔径被限制在0.05以下，必须依赖复杂的缩倍光学系统才能生成微米级陷阱。
而超表面的像素尺寸仅为290nm，属于亚波长范畴，能够精准捕获任意相位梯度，有效数值孔径可达0.6以上，无需额外光学系统即可直接生成紧密聚焦的陷阱。理论推导表明，当像素尺寸远小于波长时，有效数值孔径可接近1，为陷阱的极致聚焦提供了可能。
图：像素尺寸与光镊阵列性能的关系
像素密度与陷阱数量的关系同样关键。研究发现，生成一个高质量的光镊陷阱大约需要300个像素，这一比例是由光场调控的物理原理决定的，属于不可突破的基本限制。这表明，要生成“高质量、均匀”的陷阱阵列，平均每个陷阱需要大约数百个像素的自由度支撑。
传统SLM的像素数量通常在4000×4000左右，最多只能生成约5万个均匀陷阱。而超表面的像素密度可轻松达到12000×12000以上，结合厘米级的器件尺寸，像素总数可突破亿级，为生成百万级陷阱阵列奠定了基础。
此外，超表面的平面结构使其能够在极小的面积内集成海量像素，3.5mm直径的超表面即可包含1.14亿个像素，而传统器件要达到同等像素规模，体积将扩大数百倍。
功率处理能力是规模化扩展的另一重要保障。大规模光镊阵列需要充足的激光能量，传统SLM的功率耐受度仅为2W/mm²，而富硅氮化硅超表面可达25W/mm²，二氧化钛超表面更是高达2000W/mm²，能够轻松支撑数十万陷阱的能量需求。这种卓越的功率特性，使得超表面光镊阵列在扩展过程中无需担心器件损坏，为长期稳定运行提供了保障。
360000个光镊陷阱阵列的演示
研究团队构建了迄今为止规模最大的光学镊子阵——600×600的方形晶格阵列，包含360000个独立陷阱，陷阱间距仅为2.5µm，覆盖面积达1.5mm×1.5mm。该阵列基于二氧化钛超表面制备，凭借其超高功率处理能力和优异的光学均匀性，实现了前所未有的阵列规模和质量。
由于阵列规模庞大，直接一次性成像整个阵列存在技术挑战。研究团队采用光栅扫描技术，将整个阵列分割为126个高分辨率图像区域，通过高数值孔径显微镜（NA=0.85）分别成像后，再拼接成完整的阵列图像。最终生成的复合图像包含超过2000万像素，清晰展示了360000个陷阱的均匀分布。
定量分析表明，整个阵列的光强均匀性高达92%，即使在阵列边缘区域，陷阱的形状和强度也保持良好的一致性，仅存在微弱的光晕效应，远优于传统技术的性能水平。
图：360000陷阱阵列的光学表征
这一成果的意义远超单纯的规模突破。360000个陷阱的阵列规模，意味着能够同时捕获数十万单个原子，构建出大规模的量子比特阵列——这一数量级已接近实用化量子计算机的基本需求。
与传统技术相比，该阵列不仅规模提升了两个数量级，还具备体积紧凑、稳定性高、易于集成等优势，为量子设备的小型化和实用化提供了可能。研究团队预测，通过适度增大超表面尺寸，陷阱数量有望突破百万级，进一步推动量子技术的规模化发展。
结语
哥伦比亚大学团队的这项研究，标志着中性原子量子技术进入了一个全新的阶段。
其一，在超表面生成的镊子阵列里实现了单原子捕获、读出与一致性表征，证明它不是停留在光学演示层面；其二，用360000陷阱阵列把可扩展性优势展示出来，证明超表面路线在“更大规模、更紧凑系统、更高集成度”上的长期潜力。
当然，离真正的“超大规模、可编程、满填充原子处理器”还有工程距离，还需要更高的可用激光功率、更好的阵列重排与纠错策略、更高的一致性以及更少的中继像差。
但本研究给出了一个更像“芯片工业逻辑”的路径，那就是把复杂波前整形的能力固化在纳米结构里，以高像素密度与高像素数量作为底层资源，再通过系统级光学与原子操控把这些资源转化为真正可用的原子阵列。
随着超表面技术的不断发展，可靠、可复制、可部署的设备将在不久的将来成为现实。
[1]https://www.nature.com/articles/s41586-025-09961-5
[2]https://phys.org/news/2026-01-neutral-atom-arrays-rapidly-emerging.html