百万级光镊芯片成功实测中性原子平台
在中性原子量子计算的规模化竞赛中，光镊阵列构成了最根本的空间框架。每个光镊都是一束高度聚焦的激光，在真空中形成一个微型势阱，将单个冷原子稳定束缚在焦点位置。原子一旦失控，后续的装载、重排、操控与读出流程便无法展开。
2025年9月，加州理工学院的Manuel Endres团队借助两台空间光调制器（SLM），构建了约12,000个光镊位点，成功囚禁了6,100个铯原子，刷新了中性原子阵列的规模纪录。紧随其后，哥伦比亚大学与清华大学的团队分别采用超表面（metasurface）技术路线，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规模瓶颈的关键技术选项。
近期，璇相科技发布了一枚百万级超表面光镊阵列芯片，并与中性原子量子计算公司中器无量在真实实验环境中完成了系统适配及光场验证。这枚仅有指尖大小的芯片，在直径约4毫米的工作区域内，成功生成了百万量级的光镊位点，这是当前公开报道中超表面光镊阵列所达到的最大规模。
光镊的密度，直接框定中性原子技术的上限
中性原子量子计算的核心，在于利用光镊阵列在真空中逐一囚禁冷却后的原子，随后通过激光将原子激发至高能级的里德堡态（Rydberg state），借助原子间的长程相互作用实现量子门操控。QuEra、Atom Computing、Pasqal等国际知名公司均押注于这一技术路线。
这条路径的扩展性瓶颈，长期受制于光镊的生成技术。
主流方案依赖于SLM或声光偏转器（AOD）。SLM的像素典型尺寸介于4至20微米之间，受限于有效数值孔径（NA），为将光聚焦至足以捕获单个原子的微米级光斑，必须引入多级中继光学系统进行逐级缩束。额外的光学元件不可避免地引入了功率损耗、像差及视场限制。
加州理工的6,100原子实验动用了两台SLM及一个NA为0.65的物镜，视场直径为1.5毫米，总激光功率超过100瓦。根据哥伦比亚大学团队的估算，SLM大约需要300个像素才能稳定生成一个高质量陷阱，一台顶级4,000×4,000像素的SLM，所能产生的高均匀性（超过95%）陷阱数量上限约为5万个。AOD面临类似困境，受限于光束几何形状，当其规模超过万级，功率分布与均匀性便会显著恶化。
超表面则开辟了一条截然不同的技术路径。
将光路直接刻写入纳米结构之中
超表面是一种由亚波长尺度纳米柱阵列构成的平面光学器件，每个纳米柱都能精确调控穿其而过的光波相位。一束激光打上去，数亿个纳米级的“像素”协同运作，在焦平面上直接形成预先设计的光强分布。
（图片来源：璇相科技）
与SLM相比，超表面的像素尺寸可缩小至几百纳米，远小于工作波长，这赋予了它更大的有效NA、更为紧致的焦点，以及在同等面积内容纳更多光镊位点的能力。更关键的是，超表面能够跳过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。当然，超表面作为被动器件，其图案在制造完成后即固定，动态重排与寻址仍需依赖AOD等主动器件配合；它专注解决的是大规模光场的一次性生成问题。
璇相科技本次发布的芯片针对1064纳米波段进行了深度优化，器件口径接近厘米级别，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，无需中继光路即可直接生成百万级光镊位点。
要在如此尺度上实现数亿个光学单元的协同工作，必须同步攻克超大规模电磁设计、版图生成、微纳制造工艺及全片一致性等多项技术难题。为此，璇相科技构建了一套AI辅助仿真与设计工具链，基于GPU集群完成了光学单元设计、全片版图生成及参数优化。相比于自由空间方案中大量分立元件所需的繁琐调光与对准步骤，芯片将光场生成集成于一个平面器件之上，显著降低了系统搭建与维护的复杂度。
（图片来源：璇相科技）
验证进展到了哪一步
对于一枚面向量子系统的光学芯片，实验室内的光场测量仅是起点。它必须在真实的原子平台上，经受住耦合效率、光路几何、物镜视场、成像链路及系统稳定性的全方位考验。
本次验证由璇相科技负责芯片设计与制造，中器无量则基于其自有中性原子实验平台，完成了激光器、超大视场物镜、真空腔及测试光路的适配工作。核心突破之一是解决了传统中继光路在超大视场下的relay难题，使得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表现提供了关键参考。
测试链路采用了数百瓦级的激光功率。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光路及测量照明链路引入的系统级非均匀性，不能简单等同于芯片的本征均匀性。“现阶段主要的波动源来自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、波前补偿和系统级校正，来正式发布更精确的均匀性指标。
需要明确的是，此次验证的核心目标是百万级光镊位点在真实平台上的光场生成与系统适配，而非宣称“已实现百万单原子装载”。原子是否被实际装载、装载率及存活时间如何，属于下一阶段需要解决的核心议题。
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，横亘着哪些关键环节
百万个光镊位点是走向大规模原子阵列的必备前置能力，但要想将这些位点转化为可用的计算资源，整个系统还需跨越数道门槛。
第一道关卡是原子装载。当前中性原子系统的单次装载率通常在50%至60%之间。要填满一个大规模阵列，必须依赖多轮装载并辅以实时重排。
第二道关卡是阵列的重排与维护。原子会因背景气体碰撞及光子散射而丢失，系统需要持续监测空位并及时补充原子。
第三道关卡是量子门操控与读出的保真度。加州理工的实验已实现单量子比特操控99.98%的准确率，但双量子比特门的保真度在整个业界仍是主要瓶颈。再往后，便是纠错架构的兼容性问题，它决定了物理量子比特能否有效转化为逻辑量子比特。
璇相科技的观点是：决定可用原子数目多少的，不仅是总激光功率，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、原子装载效率及重排效率等多个系统级因素。光镊芯片解决的核心是“先把足够多的位点构建出来”这一环，而原子能否高效入位并稳定运行，仍取决于光学、装载、操控与控制系统之间的精密协同。
璇相科技的下一阶段规划聚焦于三个方向：提升超大视场物镜及系统光路能力，改善百万级阵列的有效工作区域与光场质量；推进十万级及以上单原子的确定性装载、阵列重排及稳定运行验证；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展开深入验证。
公司计划首先将目标锁定在十万级原子阵列这个更具工程可验证性的阶段目标上，再逐步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具备支撑数十万级原子阵列的潜力，”团队指出，“下一阶段的重心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。”
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，扩展规模往往意味着搭建更复杂的光路。如今，当部分光场生成能力被集成进芯片，核心问题已从“如何搭建光路”转变为“如何制造并迭代一类新型器件”。这为中性原子量子计算带来了一种制造范式的潜在变革。