作为量子计算的重要技术路线之一，中性原子量子计算以激光冷却的中性原子作为量子比特，利用光镊或光晶格在二维甚至三维空间中构建大规模有序阵列，通过精细调控的激光脉冲操控原子的内部能级，并借助 Rydberg 态等长程相互作用实现多比特纠缠门。该体系兼具长相干时间、可编程阵列几何结构和良好的可扩展性，近年来已成为国际上发展最快的量子硬件平台之一，相关初创公司和科研团队正在推进百比特乃至千比特规模的中性原子处理器走向应用。清华团队此次基于超表面的万级光镊阵列技术，正是面向这一体系“如何大规模、紧凑且高效地产生足够多光阱”的核心难题给出了解决方案。

研究首次利用单片光学超表面，直接在自由空间生成 280×280、共 7.84 万个高质量光镊阵列，在约 1 微米阱半径的前提下，实现了超过 90% 的阵列均匀性和 67.5% 的光强利用率，大幅超越传统空间光调制器在规模和效率上的极限。超表面同时承担“成阵列+做聚焦”的双重功能，显著简化了系统光学架构，为基于中性原子的万比特级乃至更大规模量子计算与量子模拟提供了关键器件方案。该工作实质性地将原子阵列平台的可扩展性瓶颈，从“光镊能做多少”转移到“激光能有多强”，与国际上利用超表面实现大规模光镊阵列的前沿进展相呼应，推动中性原子量子计算迈向更高集成度和更大规模。

本工作由冯雪老师小组，联合物理系陈文兰副教授和高等研究院翟荟教授团队共同合作完成。论文 “Direct Generation of an Array with 78400 Optical Tweezers Using a Single Metasurface” 已于 12 月 8 日被《中国物理快报》特快接收。冯雪副教授与物理系博士张中弛为共同通讯作者，博士生廖宇轩与物理系博士生王雨晴为共同第一作者，充分体现了多学科交叉团队的紧密协作。超表面芯片委托天津华慧芯科技集团有限公司加工制造，其精湛的工艺技术是本工作获得成功的重要因素之一。

图：超表面生成的78400个光镊组成的光镊阵列

图：光镊阵列性能表征图：a) 光镊阱深分布图，b）光镊阱深分布直方图，c）艾里斑半径分布直方图

图：超表面实物图及扫描电镜下的超表面形貌图