一种从原子中捕获光子的新方法，或许能最终解锁具备超强算力、拥有百万量子比特的量子计算机。
历经数十载钻研，研究人员或许终于探寻到了一条通往高性能量子计算机的切实可行之路。这些机器预计能极为高效地处理某些计算任务，以至于传统计算机需耗时数千年的任务，它们仅需数小时便可完成。
由斯坦福大学物理学家领衔的研究团队研制出一种新型光学腔，其设计旨在捕获单个原子所释放的单光子（光的最小单位）。这些原子存储着量子比特，而量子比特是量子计算机中的基本信息单位。该系统首次实现了对所有量子比特信息的同步读取，而非逐一读取。
捕捉单个原子的光线
在发表于《自然》杂志的一项研究中，研究人员描述了一个由40个光学腔组成的工作阵列，每个光学腔中均含有一个单原子量子比特，同时还介绍了一个包含500多个光学腔的更大原型。研究结果表明，构建包含多达百万个量子比特的量子网络具有现实可行性。
“如果我们想要制造一台量子计算机，就必须能够非常迅速地从量子比特中读取信息，”该研究的资深作者、斯坦福大学人文与科学学院物理学及应用物理学副教授乔恩·西蒙表示，“迄今为止，由于原子发光速度不够快，且它们向四面八方散射光线，因此还没有一种切实可行的方法来实现大规模读取。光学腔能够有效地引导发射出的光线朝向特定方向，如今，我们已找到一种方法，可为量子计算机中的每个原子配备各自独立的光学腔。”
光学谐振腔的工作原理
当光线在两个或多个表面之间反复反射时，便会形成光学谐振腔。其效果类似于置身于哈哈镜迷宫中，目睹镜中影像层层叠叠延伸至远方。在科学应用领域，这类结构的尺寸要小得多，它们通过迫使光线多次穿越同一空间，促使光与原子发生更强烈的相互作用。
数十年来，科学家们一直在研究光学腔，但与原子共事却是一项挑战，因为原子极小且近乎透明。事实证明，要让足够的光线与它们有效相互作用，实非易事。
采用微透镜的新型空腔设计
斯坦福大学团队并未依赖多重光反射，而是另辟蹊径。他们在每个腔体内置微型透镜，将光线精准聚焦于单个原子之上。尽管此方法减少了反射次数，但在提取量子信息方面却展现出更高的效率。
斯坦福大学科学研究员、该研究的第一作者亚当·肖（Adam Shaw）表示：“我们开发出了一种新型的腔体结构，它不再仅仅局限于两面镜子。”“我们希望，这能让我们构建出速度显著提升的分布式量子计算机，它们彼此之间能以更快的速率进行数据传输。”
为何量子比特具有如此强大的能力
传统计算机利用只能是0或1的比特来处理信息。而量子计算机则有所不同，它利用的量子比特可同时处于0、1或两种状态。这种独特的行为使量子系统能够同时评估多种可能的解决方案。
西蒙表示：“经典计算机必须逐一排查各种可能性，以寻找正确答案。但量子计算机则如同降噪耳机，能对答案组合进行比对，放大正确答案，同时抑制错误答案。”
迈向量子超级计算机的规模化发展
专家认为，量子计算机需要数百万个量子比特才能超越当今最强大的超级计算机。要达到这一规模，可能需要将许多小型量子计算机连接成更大的网络。本研究中展示的腔体系统提供了一种高效并行读取量子比特的方法，这对于构建如此规模的系统至关重要。
除论文中所述的 40 腔装置外，该团队已对一个拥有 500 多个腔的概念验证阵列进行了测试，并正致力于开发拥有数万个腔的系统。他们的长远愿景包括建立量子数据中心，让各台机器通过基于腔体的网络接口实现互联。
超越计算领域的广泛影响
重大工程挑战依然存在，但研究人员认为其潜在影响将是巨大的。可扩展的量子计算机能够加速材料科学与化学合成领域的进步，包括在药物研发相关应用方面，同时还能大幅提升破译密码的能力。
在单粒子层面高效收集光能的能力，亦能为计算领域之外的诸多学科带来裨益。其应用范围或可涵盖前沿生物传感技术、显微成像的优化革新，乃至天文学研究。未来，量子网络或将助力光学望远镜突破分辨率极限，使人类得以直接观测太阳系外恒星周遭运行的行星。
肖表示：“随着我们对如何在单粒子层面操控光线的了解日益深入，我认为这将彻底改变我们观察世界的能力。”
参考文献：亚当·L·肖（Adam L. Shaw）、安娜·索珀（Anna Soper）、丹尼尔·沙德曼尼（Danial Shadmany）、艾什瓦里亚·库马尔（Aishwarya Kumar）、卢卡斯·帕尔姆（Lukas Palm）、达耶恩·科（Da-Yeon Koh）、瓦西里奥斯·卡西拉斯（Vassilios Kaxiras）、拉瓦尼娅·塔内贾（Lavanya Taneja）、马特·贾菲（Matt Jaffe）、戴维·I·舒斯特（David I. Schuster）和乔纳森·西蒙（Jonathan Simon）发表于《自然》期刊2026年1月28日刊的文章《用于并行单原子接口的空腔阵列显微镜》。DOI：10.1038/s41586-025-10035-9
本研究得到了美国国家科学基金会、空军科学研究办公室、陆军研究办公室、赫兹基金会以及美国国防部的支持。
