G&H 声光器件助力量子计算突破千比特门槛，推动量子技术规模化发展
当中性原子量子计算平台扩展至数千量子比特，系统需要在毫米级视场内，以微秒级响应完成大量光束的精确寻址、偏转与调制，光学控制由此成为规模化发展的关键挑战。本文以声光偏转器（AOD）为主线，介绍声光调制器（AOM）、声光移频器（AOFS）及多通道声光器件（AOMC）的功能分工、工作原理与系统集成思路，并结合公开实验说明声光技术在量子计算中的作用。武汉新特光电技术有限公司是 G&H（Gooch & Housego）在中国的官方授权合作伙伴，可协助国内用户开展产品选型、报价及技术对接。
一、量子比特规模化，光学控制成为关键挑战
光学量子计算用激光生成并控制量子比特，难点在于规模：当系统从几百个量子比特扩展到数千个，光束的生成、偏转、调制和稳定都要同步升级。
系统规模变大后，有三类操作不可避免：
一是移动原子，整理阵列并填充空位点；二是在不破坏相干性的前提下，将量子比特传输至处理区；三是在存储区、相互作用区和读取区之间穿梭原子。
机械扫描方案在速度、集成度和重复定位方面存在工程限制。声光器件通过射频信号控制声波与光波的相互作用，可在不移动光学部件的情况下实现光束偏转、强度调制或频率偏移，因而成为构建高速电子控制光路的重要技术选项。
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。
二、声光器件的工作原理：声波与光波的相互作用
所有声光器件都基于声波与光波的相互作用：射频驱动器给换能器施加电信号，在晶体中产生声波，形成动态折射率光栅；入射激光被该周期结构衍射，产生 0 级光和 1 级衍射光。通过调节射频的频率和幅度，即可电控衍射光的方向、强度和频率。
以声光偏转器（AOD）为例，其利用射频信号在声光介质中激发声波，使入射光发生衍射并改变传播方向。调节射频频率即可实现电子控制的角度扫描。
在此基础上，G&H 可针对重点客户需求定制声光器件——有的只需适度优化，有的则需要投入大量研发。
声光器件基本结构与布拉格衍射示意（换能器、声光晶体、声吸收体、入射激光及零级/衍射光）
三、声光器件在里程碑式量子实验中的应用
G&H在《Optics.org Quantum Focus》杂志 2026 年冬季刊中进行了专题报道，重点介绍了公司如何通过不断突破声光技术的性能边界，为量子计算的发展提供支持。G&H高级光学设计工程师 Luke Gordon 撰写的文章《规模化精密控制：声光器件如何助力量子计算突破1,000量子比特门槛》，深入探讨了量子系统从数百个量子比特扩展至数千个量子比特时所面临的光学技术挑战。
文章重点介绍了 G&H 的多项声光技术，包括声光偏转器（AOD）、声光调制器（AOM）以及多通道声光调制器架构（AOMC）。这些技术正在为构建可扩展、高性能的量子计算架构提供重要支持。
随着量子比特数量不断增加，声光器件的角色也在发生转变：它们不再仅仅是量子系统中的辅助光学元件，而正逐步成为量子计算系统中不可或缺的关键技术基础设施。
原文网址：https://optics.org/download?page=x21860
2025 年 9 月，《Nature》发表了两项展示大规模中性原子阵列控制能力的研究，均使用 G&H AODF 4085 声光偏转器。其一是包含 6,100 个量子比特的光镊阵列研究，构建了无缺陷阵列并实现大规模相干控制；实验采用交叉配置的 AOD 完成原子传输，使原子能够在阵列不同区域之间移动。
论文页面：6100量子比特光镊阵列研究（开放获取）https://www.nature.com/articles/s41586-025-09641-4
其二是 3,000 量子比特连续运行系统研究，展示了计算过程中主动重排原子的能力。两台相互垂直安装的 G&H AODF 4085 构成二维光束偏转系统，用于原子分选、传输及阵列维护。
论文页面： 3000 量子比特连续运行系统研究（开放获取） https://www.nature.com/articles/s41586-025-09596-6
这两项研究说明，当中性原子平台从数百个量子比特扩展至数千个时，快速、大视场、电子控制的光束偏转能力尤为重要。系统需要兼顾宽视场、较高的可寻址光斑数量和微秒级响应，且不依赖机械扫描。需要强调的是，实验成果由光学器件、射频驱动、控制系统、真空与成像平台及算法共同实现；AOD 是关键系统组件之一，并非单独决定量子处理器性能的唯一因素。
四、量子比特过千后，声光技术变得至关重要
高速响应：低延迟光束偏转
- 支持微秒量级的电子控制更新
- 加快原子补充与重排速度，提高量子计算系统的有效运行占空比
大范围覆盖与高空间分辨率
- 需要对数千个间距仅为微米量级的原子位点进行精确寻址
- 大通光孔径声光偏转器（AOD）能够提供较大的偏转角度，并实现可重复的光束定位
衍射效率与热管理：支持系统扩展
- 在适中的射频驱动功率下实现较高的衍射效率
- 降低系统功耗与热负荷，为量子系统的进一步扩展提供支持
频率与强度的灵活调控
- 声光调制器（AOM）和声光移频器（AOFS）支持快速调节激光的频率与幅度（强度）
面向算法的精密控制
- 采用电信号驱动、软件定义的光学控制方式。
- 便于与量子计算算法及自动化控制系统集成，实现灵活、可编程的光束操控。
图示说明：左图为光束幅度与频率控制，右图为并行、高分辨率光束控制。
G&H 声光偏转器（AOD）：覆盖多种应用需求
G&H部分AOD型号的应用波长与可分辨光斑数量关系。图中数据对应特定器件设计，不应视为所有型号的统一指标。
五、从单器件到系统架构：多频驱动、多通道与混合式光学控制
基于声光技术的光学控制架构，可为大规模量子系统提供可扩展的光束定位、调制与并行控制能力。实际性能仍取决于器件、驱动、光学设计和控制算法的协同。
- 多频射频驱动：向单台 AOD 输入多个射频频率，可在满足器件和驱动条件时产生多束衍射光，实现多个位置的并行寻址（复用）。
- 多通道器件：G&H 提供具有 64 个以上独立通道的多通道声光器件，可通过并行控制支持更复杂的光束寻址需求。具体通道配置以产品型号为准。
- 混合式光学控制架构：空间光调制器（SLM）可用于生成高密度、近静态的光阱阵列；AOD 用于高速动态光镊的传输、分拣与路由；AOM 和 AOFS 则分别支持光强调制与频率偏移。
这些器件协同工作，可让光学模块并行提供多束受控光束，并有助于降低系统复杂度、提升稳定性与可扩展性。实际可用通道数、光束均匀性、射频功率分配及通道间影响，应结合具体型号与系统设计验证。
六、G&H 面向量子技术的光子器件
G&H 提供覆盖紫外、可见光及近红外等波段的声光解决方案，并可围绕量子应用开展定制设计。其光纤光学产品也可用于激光调制及量子系统光路集成。
声光器件系列
在中性原子与囚禁离子平台中，各类声光器件的功能有所区别：AOD 主要控制光束空间指向；AOM 主要用于光强调制，并可在相应配置下提供频率偏移；AOFS 侧重精确频率偏移；多通道声光器件（AOMC）面向多路并行控制。具体功能和指标以型号规格为准。
| 声光器件 | 主要特性 | 核心作用 | 在量子计算中的典型用途 |
| 声光偏转器（AOD） | 业界领先的扫描角度与可分辨光斑数；通光孔径 1–10 mm | 电控光束偏转，微秒级响应 | 原子传输、重排、路径路由；冷原子与离子的精确定位 |
| 声光调制器（AOM） | 射频 40–350 MHz；通光孔径 1–11 mm | 纳秒至微秒级强度调制，精确频率偏移 | 稳定陷阱与控制光束功率；单量子比特旋转、多步门序列脉冲整形；囚禁离子激光路由与稳定 |
| 声光移频器（AOFS） | - | 精确频率偏移 | 原子冷却与囚禁、传感；跃迁选择与光束动态重新调谐 |
| 多通道声光调制器（AOMC） | 2–64 个及以上独立通道 | - | 量子比特的快速多路并行寻址 |
| 射频驱动器 | 适配 G&H 全系列声光器件 | 为非 OEM 客户提供射频驱动支持 | - |
左图为声光偏转器 (AOD)，中图为声光调制器 (AOM)，右图为多通道声光调制器 (AOMC)
光纤光学系列
光纤耦合声光调制器（FCAOM）：具备高消光比、低插入损耗等特点，可适配保偏或非保偏光纤；资料所列可见光及红外波段调制频率最高可达 80 MHz，并采用气密封装，便于集成至全光纤系统及 OEM 设备。
可见光波段保偏耦合器：强调高偏振消光比、低附加损耗及较高功率承载能力；资料所列波长范围为 450–700 nm，标准配置为慢轴工作，并可提供快轴及双轴配置。
左图为光纤耦合声光调制器(FCAOM)，中图为可见光波段保偏耦合器，右图为保偏耦合器
平台能力
G&H 的声光技术平台拥有超过 500 个参考设计及 30 年以上的产品制造与测试经验。可用声光材料包括 TeO₂、晶体石英、蓝宝石、锗（Ge）、熔融石英、SF10、铌酸锂（LN）和 BBO 等，波长覆盖紫外（193–355 nm）、可见光、红外/近红外（最高 2 μm），并延伸至 CO、CO₂ 激光波段，并具备声光建模与仿真能力。G&H 采用自主制造并整合外部供应资源的方式，支持按量子应用需求开展设计优化。
七、面向量子技术的器件选型与系统集成
量子应用的器件选型应从实验目标和系统架构出发，综合评估工作波长、光束直径、通光孔径、目标视场、可寻址光斑数量、射频带宽、衍射效率、入射光功率、偏振状态、热管理及控制接口。若采用多频驱动，还应确认射频功率如何分配、各衍射光束的强度均匀性、杂散光水平及系统校准方式。
G&H 的声光技术覆盖多种器件设计与材料体系，并可根据应用需求开展设计优化或定制。其光子器件可为冷原子与离子的精密光学操控提供支持，并服务于量子计算、量子通信、量子传感及相关研发领域，包括：
- 量子计算： 提升量子比特控制精度，支持量子逻辑门操作
- 量子通信： 助力量子信息的安全传输
- 量子传感器： 借助先进的光子器件提升精密测量能力
- 量子器件软件设计： 支持量子硬件与软件之间的可靠集成
- 量子标准用气室： 推动量子计量与高精度计时技术的发展
八、新特光电：G&H 在中国的官方授权合作伙伴
武汉新特光电技术有限公司（简称“新特光电”）是 G&H（Gooch & Housego）在中国的官方授权合作伙伴，为国内激光、光子学及科研用户提供相关声光器件、电光器件的产品咨询、选型、供货与技术对接服务。
面向量子技术研发团队、科研院所及量子设备企业，新特光电可协助对接 G&H 声光偏转器（AOD）、声光调制器（AOM）、声光移频器（AOFS）、多通道声光器件及相关光纤光学产品，并结合工作波长、光束控制方式、射频驱动、通道数和系统集成需求开展选型沟通。
如项目涉及特定原子种类、跃迁波长、光束数量、扫描范围或定制需求，建议在技术沟通时提供工作波长、光束直径、目标控制速度、光功率、偏振条件及现有驱动系统信息，以便进一步确认适用产品与实现路径。
如需了解 G&H 声光偏转器（AOD）、声光调制器（AOM）、声光移频器（AOFS）、多通道声光器件及量子技术定制方案，欢迎联系新特光电。
九、结语
量子技术向更大规模发展，对光学控制系统的速度、精度、并行度和稳定性提出了更高要求。G&H 的 AOD、AOM、AOFS、多通道声光器件及相关光纤光学产品，为光束定位、强度调制和频率控制提供了多样化选择。通过器件性能、射频驱动与系统架构的协同设计，可为中性原子、囚禁离子及其他光学量子平台的研发与工程化提供支持。
十、常见问题（FAQ）
Q：为什么量子比特规模达到约 1,000 个以上，声光技术变得关键？
当系统需要对大量微米级间距的位点进行精确寻址，并快速完成光束偏转和原子重排时，AOD 的电子控制和低延迟优势会更加突出。具体是否需要 AOD，应结合平台架构、目标视场、光斑数量和控制时序评估。
Q：AOD 与 AOM 在量子系统中有何分工？
AOD 主要负责光束偏转与空间路由，常用于原子传输和重排；AOM 主要用于光强调制，并可在适当设计中提供频率偏移；AOFS 则侧重精确频率偏移。它们可按系统需求配合使用。
Q：一台 AOD 能同时控制多个量子比特吗？
在合适的多频射频驱动方案下，一台 AOD 可以同时产生多束衍射光，实现多个位置的并行寻址。实际光束数量、均匀性和可控性取决于器件、射频功率分配与系统校准。若需要更多独立控制通道，可评估多通道声光器件方案。
Q：G&H 声光器件在中国如何选型和采购？
可联系 G&H 中国官方授权合作伙伴新特光电，并提供工作波长、通光孔径、射频带宽、目标可分辨光斑数及系统配置等信息，以便开展初步选型、报价和技术沟通。
