大规模精确控制: 声光技术推动量子计算突破1000量子比特大关

光学量子计算的核心原理很简单：利用激光生成并控制量子比特。但在实际操作中，将这样的系统扩展到几百个量子比特以上却是一项复杂的任务。它涉及到在毫米级视场范围内，以微秒级的延迟生成、控制、调制和稳定数千束衍射极限光束。

声光器件——包括声光偏转器AOD、声光调制器AOM和多通道声光调制器 AOMC架构——都为扩展量子比特所面临的隐性挑战提供了独特的解决方案，这有助于推动声光器件从量子计算架构中的辅助光学器件发展成为核心基础设施（图 1）。

两篇论文——均发表于 2025 年 9 月的《自然》杂志——详细介绍了明确说明这一趋势的实验演示。

一篇题为《具有6100个高度相干原子量子位的镊子阵列》的论文描述了一种中性原子阵列，该阵列实现了大规模相干控制，并能在密集的镊子晶格中传输原子。实验采用由一对交叉的Gooch & Housego (G&H) AODF 4085相控孔径驱动的传输镊子，在阵列的不同区域之间移动原子。

第二篇论文（《3000量子位相干系统的连续运行》）描述了一种持续运行的3000量子位中性原子系统，该系统在原子主动重排过程中展现出稳定的持续运行状态。两个垂直安装的G&H AODF 4085器件构成了二维光束转向系统的核心，用于原子分选、传输及晶格维护。

这些文章共同强调了光学量子比特平台扩展的关键要点：当量子计算系统从数百量子比特扩展到数千量子比特时，快速、宽视场、电子控制的光束偏转变得不可或缺。在这样的规模下，光学器件必须提供宽视场、高分辨率（以可寻址点的数量来衡量）以及微秒级的偏转速度，且无需依赖机械扫描。

振幅与频率敏捷性

量子处理器需要对光的振幅和频率进行精确、高速的控制。这正是声光调制器AOM和声光移频器AOFS发挥核心作用的关键所在。

声光调制器AOM提供高带宽强度调制，能够在纳秒到微秒的时间尺度上实现清晰的开关和精细整形的光脉冲。它们还能实现稳定、精确的频率偏移，用于实现特定原子跃迁并补偿系统其他部位的缓慢漂移。在中性原子量子计算机中，这些功能支持快速稳定陷阱和控制光束的功率，实现单量子比特旋转和多步门序列的脉冲整形，以及通过频率敏捷性选择性地控制跃迁或光束动态地重新调谐。

类似的考虑也适用于囚禁离子量子计算领域，其中声光调制器AOM被广泛用于路由、控制和稳定激光束，以实现对单个离子的寻址和纠缠操作。

快速高效的光束偏转控制

量子计算能力随量子比特数量呈指数级增长，实际挑战也随之增大。当量子位数量庞大时，三项需求不可避免：移动原子以组织阵列并填充空位点；在不破坏相干性的前提下将量子位传输至处理器；以及在存储区、交互区和读取区之间穿梭原子。高性能声光偏转器AOD通过将速度、覆盖范围和精细的空间分辨率集成于单个光学元件中，独特地满足了这些需求。

图 1 - 通过解决光束控制、调制和并行控制方面的关键挑战，声光偏转器、声光调制器和多通道架构已成为扩展量子计算平台的重要基础设施。

优化后的声光偏转器AOD结构在量子比特数量庞大时展现出决定性的优势：

• 速度（低延迟光束转向控制）：在数千个量子比特的情况下，延迟会直接影响可用计算时间。声光偏转器AOD 以微秒级的时间尺度对光束进行电子转向控制，从而实现快速原子补充，使处理器能够将更多时间用于计算，减少重建时间。

• 覆盖范围和分辨率（广角、精细控制）：数千个间距仅为几微米的观测点必须容纳在毫米级的视场内。大孔径声光调制器AOD能够提供所需的角度范围、分辨率和重复性，从而在不牺牲精度的前提下，将衍射极限光束控制在该视场内。

• 功率效率（热可扩展性）: 大型量子比特阵列在严格的热约束下运行。优化的声光偏转器AOD具有高声光性能指标，可在适中的射频功率下实现强衍射效率，从而实现高密度、高占空比的运行模式。

• 算法控制（软件定义光学）:手动调谐无法满足数千量子比特的扩展需求。电控的声光偏转器AOD可与闭环校准自然集成，使射频波形能够通过算法更新，从而支持系统向10,000量子位架构及更高规模扩展。最终得到的技术平台能够自然地支持操控数千个紧密排列的原子量子比特所需的宽广控制范围、精细的空间分辨率和快速响应这三者之间的罕见组合。图 2 显示，G&H声光偏转器AOD通常支持大通光孔径、宽射频带宽以及超过1000 个可分辨光斑的性能。

图 2 - 部分 G&H 声光偏转器AOD在应用波长与可分辨光斑数量的关系图。该图展示了 G&H 声光偏转器AOD可实现的大孔径、宽射频带宽和高光斑数量（>1000）的组合特性。

面向当下和未来的可扩展光学控制技术

自适应光学技术可通过提升单个光学控制通道可操控的量子位数量，显著缓解量子扩展难题。多频射频操作使单个自适应光学器件能同时操控多个光束（复用）。此外，G&H公司已推出具备64个以上独立通道的多通道自适应光学设备，通过并行处理实现更进一步的扩展。

这些核心声光器件功能正推动着采用新兴架构的大型量子处理器发展，空间光调制器提供高密度准静态光阱阵列；声光偏转器AOD实现高速动态镊子用于传输、分拣和路由；而声光调制器AOM则提供高带宽的振幅和频率控制。这些元件协同工作，使单个光学模块能够并行提供多个独立控制的光束。这在降低光学复杂性的同时，提升了系统稳定性和可扩展性，为未来大规模量子系统的构建奠定基础。