中性原子量子计算机

99.5 %

2023 年，哈佛与麻省理工的团队在《自然》上报告：最多 60 个铷原子同时做两比特纠缠门（CZ 门），保真度 99.5 %，约每 200 次错 1 次。在此之前，中性原子的两比特门最好约 97.5 %；2010 年，第一个两原子的 CNOT 门只有 73 %。99.5 % 越过了表面码纠错要求的门槛。

2023 年底，同一台机器用 128 个原子编出 48 个逻辑比特，所用的码只能发现错误，不能纠正。2025 年，加州理工在约 12,000 个光镊里装进 6,100 多个铯原子，是当时最大的阵列，但那次实验没有做两比特门。2026 年 4 月，一篇预印本报告了 99.854 % 的两比特门。

两比特门 99.5 %（2023）· 48 个逻辑比特（2023）· 6,100 多个原子（2025）

一团冷原子

一切始于一团冷原子。玻璃真空腔的正中，几束激光从各个方向推着原子，两个线圈的磁场把它们拢成一团，冷到接近绝对零度：这便是磁光阱。哈佛的机器里，这团云有数以百万计的铷 87 原子；加州理工的那一团，直径约 1.6 毫⁠米。

1997 年的诺贝尔物理学奖，颁给了“用激光冷却和囚禁原子的方法”；磁光阱如何工作，在图版“玻色–爱因斯坦凝聚”。在这台机器里，冷原子云只是原料，光镊要从中把原子一个一个取出来。

磁光阱：激光 + 磁场 · 数以百万计的铷 87 原子 · 云直径约 1.6 毫⁠米（加州理工）

一束光夹住一个原子

高数值孔径的物镜把一束激光聚到一点，焦点处最亮。只要光的波长比原子吸收的略长，原子就被拉向最亮处，如同落进一个光做的小坑：这便是光镊。常见的光镊用 808 到 850 纳⁠米的近红外光，焦点半径约 1 微⁠米，坑深约 1 毫⁠开（按温度算）。

1986 年，聚焦的激光第一次困住了原子，那是约 500 个钠原子。2001 年，法国的一个团队用数值孔径 0.7 的物镜把光斑缩到亚微米，光镊里只装下了单个原子：那个小坑，只容得下一个。2018 年诺贝尔物理学奖的一半颁给了光镊，奖词是“光镊和它在生物系统中的应用”。

焦点半径约 1 微⁠米 · 深约 1 毫⁠开 · 808⁠–⁠850 纳⁠米

一个，或者没有

光镊从冷原子云里取原子，全凭运气。光斑太小，第二个原子一闯进来，两个原子便在光里猛烈相撞（光助碰撞），双双被撞出去。于是每个光镊里，要么一个原子，要么一个也没有，平均 0.5 个：这叫碰撞阻塞。

实际的装载率多在 50⁠–⁠60 %；2025 年，哈佛的机器换了一种冷却办法（灰色黏团），做到 75 %。要所有光镊同时装满，每一个都得走运：100 个光镊、各 50 %，全满的机会是 0.5¹⁰⁰，约 7.9 × 10⁻³¹。

每个光镊：0 或 1 个原子 · 平均 0.5 · 0.5¹⁰⁰ ≈ 7.9 × 10⁻³¹

拍照，再补位

办法是先拍一张照片。照明光下，原子发出荧光，相机看出哪些光镊有原子、哪些空着；电脑算好搬法，一组会动的光镊把原子夹起，挪进空位，直到阵列没有缺口。画面里是本页的玩具版：装载、拍照、补位，一次搬一个原子，走直线；真实的机器常常整行整列一起搬。

2016 年，哈佛的团队用这个办法排出 50 多个原子的一维阵列，用时不到 400 毫⁠秒；法国的团队排出约 50 个原子的二维阵列，重排不到 50 毫⁠秒。2025 年，中国科学技术大学用 AI 实时计算全息图，让一块高速空间光调制器同时搬动所有原子，60 毫⁠秒内排成 2,024 个原子的方阵（45 × 45 = 2,025 个位置，几乎没有缺陷）。

拍照 → 算出搬法 → 补位 · 2016：约 50 个原子 · 2025：2,024 个原子，60 毫⁠秒

两个能级

每个原子就是一个量子比特。哈佛的机器用铷 87：它的基态分成两个超精细能级，相差 6.834 682 610 904 吉⁠赫；下层（F = 1）里磁量子数为零的那个态记作 0，上层（F = 2）里磁量子数同样为零的态记作 1。这一对叫“钟态”：磁场在一阶上推不动它们，量子态因此存得很久。拉曼激光同时转动所有原子，单比特门的保真度是 99.97 %。

加州理工 6,100 个原子的阵列用铯 133，相干时间达到 12.6 秒。铯 133 基态的超精细跃迁，频率 9,192,631,770 赫⁠兹，正是“秒”的定义；以原子能级计时的钟，在图版“光晶格钟”。超导量子比特是电路做成的人造原子（图版“超导量子比特与纠错”）；这里的比特是天然的原子，个个一模一样。

⁸⁷Rb：6.834 682 610 904 GHz · 钟态 · 单比特门 99.97 %

里德堡阻塞

基态的原子之间，几乎没有相互作用。要让两个比特互相牵动，就用激光把原子的电子托到很高的能级，主量子数 n 到几十：这时的原子叫里德堡原子。哈佛的机器用 420 纳⁠米和 1013 纳⁠米两束光，把铷原子激发到 n = 53 的态。电子轨道的半径约随 n² 增长，n = 53 时约 150 纳⁠米（数量级估计），远大于基态的原子。

两个里德堡原子之间的范德瓦耳斯相互作用按 C₆/R⁶ 变化，C₆ 约随 n¹¹ 增长。两个原子一旦比“阻塞半径”更近，一个激发了，另一个便激发不了：两个同时激发要的能量，激光的频率已经对不上。阻塞半径取决于 n 和激光的强弱，例如 70S 态、拉比频率 Ω = 2π × 2 兆⁠赫时约 9 微⁠米。这个机制 2000 年提出，2001 年得名，2009 年第一次在两个单原子上看到。

V = C₆/R⁶ · C₆ ∝ n¹¹ · 70S、Ω = 2π × 2 MHz：R_b ≈ 9 微⁠米

一个脉冲，许多个门

把两个原子挪到相距约 2 微⁠米，相互作用约 2π × 450 兆⁠赫，远大于激光的拉比频率 2π × 4.6 兆⁠赫，阻塞几近完美。这时打一个 270 纳⁠秒的激光脉冲，只有处在 1 态的原子会被激发，结果是一个 CZ 门：两个原子都在 1 态时，整体的相位变号。脉冲期间，光镊熄灭几百纳秒，免得它的光扰动里德堡态。

同一个脉冲照遍所有的门位，每对原子同时做门；门位彼此至少隔开 10 微⁠米，互不相扰。2023 年的实验在 20 个原子上并行做门，保真度 99.54 %，60 个原子时 99.48 %；后来，最多 160 个比特同时做门，保真度 99.3⁠–⁠99.5 %。420 纳⁠米的光由 840 纳⁠米的钛宝石激光倍频而来；钛宝石激光，另见图版“阿秒光脉冲”。

约 2 微⁠米 · 2π × 450 MHz ≫ Ω = 2π × 4.6 MHz · 270 纳⁠秒 · 60 个原子并行

剖开：玻璃腔和物镜

原子悬在一只玻璃真空腔里，腔里近乎空无一物：加州理工从原子的寿命推算，他们腔里的压强约 7 × 10⁻¹² 毫⁠巴，约为大气压的一千万亿分之七。玻璃腔一端连着不锈钢的真空系统，两侧是磁光阱的线圈。玻璃壁和线圈剖开一角，里面的原子阵列便露了出来。

物镜在腔外，隔着玻璃壁向里看。剖开的物镜里是一串镜片，越往后越大；剖面里的镜片只是示意，不是哪一家物镜的设计。同一只物镜做两件事：把光镊的光聚到腔的正中，再把原子发出的荧光收回来，交给相机。

约 7 × 10⁻¹² 毫⁠巴（加州理工的估计）· 物镜在腔外

数值孔径 0.65

物镜收光的本领，用数值孔径 NA 来量。哈佛和加州理工的机器都用 NA 0.65 的物镜，光锥的半角约 40.5°。数值孔径越大，焦点越小，光镊就排得越密：哈佛的门位里，两个原子只隔约 2 微⁠米，靠的正是它。

加州理工的物镜，视场直径 1.5 毫⁠米，约 12,000 个光镊尽在其中。2001 年第一次装进单个原子时，用的物镜是九片球面透镜，数值孔径 0.7，放在超高真空里，工作距离 10 毫⁠米。

NA 0.65 · 半角约 40.5° · 视场 1.5 毫⁠米（加州理工）

一张相位图

静止的光镊阵列出自空间光调制器：一块硅基液晶屏，每个像素只改光的相位，不改亮度。屏上显示一张算好的相位图，也就是全息图；一束激光照上去，再经物镜聚焦，焦平面上便浮现成百上千个光斑，排成想要的图案。

加州理工用两块空间光调制器，分别用 1061 纳⁠米和 1055 纳⁠米的光，共做出约 12,000 个光镊，间距约 7.2 微⁠米，到达原子处每个约 1.4 毫⁠瓦；光来自光纤放大器，总共 130 瓦。屏用水冷保持在 22 °C，全息图用加权的 Gerchberg–Saxton 算法优化。右上角的相位图，是本页把每个光斑的平面波简单叠加而成，并非那个算法。

只改相位 · 约 12,000 个光镊、7.2 微⁠米（加州理工 2025）

会动的光镊

要搬原子，光镊就得会动。声光偏转器是一块晶体：射频信号在里面激起声波，声波像光栅一样让光拐弯，频率越高，拐得越多；几个频率叠在一起，一束光便分成几束。两块偏转器交叉摆放，一块管 x，一块管 y，只凭两路电压波形，就织出一整片网格，每一行、每一列各对应一个频率。

频率每差 0.49 兆⁠赫，光斑就移开 2.6 微⁠米（2016 年哈佛的一维阵列）。频率连续地变，光斑便平滑地滑动；行与列从不交叉。交接时，移动光镊先加深到静止光镊的约两倍，再把原子带走；两次门之间，搬一次约 200 微⁠秒。网格能有多大，由偏转器的带宽决定：哈佛的分区约 250 微⁠米宽，正是它定的。

一个频率一行 · 0.49 MHz ↔ 2.6 µm · 搬一次约 200 微⁠秒

荧光照片

原子太小，看不出形状，能看见的只有它发出的光。照明光让每个原子不停地吸收、再放出光子（铷是 780 纳⁠米，铯是 852 纳⁠米）；同一只物镜收回其中一部分，二向色镜把它与光镊的光分开，送进相机。照片上，每个原子是一个亮点，空着的光镊一片漆黑。

2016 年的实验用电子倍增 CCD 相机。如今哈佛用 CMOS 相机，取它读出快；加州理工用定量 CMOS（qCMOS）相机，每张照片曝光 80 毫⁠秒，原子留下的概率 99.98952 %，判断有没有原子的准确率 99.99374 %。计算途中要读出某些比特时，哈佛把它们挪到一旁，500 微⁠秒拍完，准确率约 99.8 %。

80 毫⁠秒 · 存活 99.98952 % · 准确 99.99374 %（加州理工 2025）

三个区

原子能搬，机器便可以分区。哈佛的逻辑处理器分成三个区：存储区安放闲着的比特，那里没有门的误差；纠缠区约 250 微⁠米宽、35 微⁠米高，里德堡光在这里照得均匀，门就在这里做；要读出的比特挪到约 100 微⁠米外的读出区拍照，不惊动其余的比特。

纠缠可以随身带走：2022 年的实验把成对纠缠的原子拉开 110 微⁠米，纠缠看不出受了影响。2023 年，48 个逻辑比特用 128 个原子编成 [[8,3,2]] 码，做了 228 个逻辑两比特门；这种码只能发现错误，靠舍弃出错的运行来改进结果。2025 年，在最多 448 个原子的实验里，距离 5 的表面码比距离 3 的好 2.14 倍。

存储 · 纠缠 · 读出 · 纠缠区 250 × 35 微⁠米 · 读出区约 100 微⁠米外

还差什么

原子会丢。真空里残存的气体偶尔撞走一个原子；原子在光镊里能待多久，因机器而异：哈佛 2023 年的机器约 10 秒，加州理工的约 23 分⁠钟。N 个原子的阵列保持完整的时间，只有单个原子的 N 分之一。2025 年的纠错实验里，约一半的错误是丢了原子。办法之一是边算边补：2025 年，另一台机器每秒补进 30 万个原子，让 3,000 多个原子的阵列维持了两个多小时。

慢的不是门。CZ 门只要 270 纳⁠秒，与超导比特的门同一量级；慢的是搬原子（每次约 200 微⁠秒）和拍照（0.5 到 10 毫⁠秒）。2025 年，一轮表面码纠错要 4.45 毫⁠秒，谷歌的超导芯片 Willow 只要 1.1 微⁠秒，相差约 4,000 倍；作者估计，按每一步逻辑操作算，他们的办法只慢 10⁠–⁠20 倍左右——这是估计，不是测量。纠错的原理，见图版“超导量子比特与纠错”。

约一半的错误是丢原子 · 一轮纠错 4.45 毫⁠秒，超导 1.1 微⁠秒

拆开来看

玻璃腔与线圈、真空系统、物镜、二向色镜与相机、空间光调制器、声光偏转器、合束器、光镊激光与里德堡激光，一件一件分开。

指针停在哪一件上（手机上轻点一下），那一件便单独托起，标出名字，其余的淡去。