2026年7月6日——位于亚琛的弗劳恩霍夫激光技术研究所（Fraunhofer ILT）为斯图加特大学第五物理研究所正在建造的一台量子计算机开发了一套高度复杂的激光光学系统。该系统能够将2000个里德伯原子以亚微米级精度定位在该计算机高度紧凑的真空腔室内。为此，系统向腔内投射出一个由2000束独立可控激光组成的光束阵列。这些光束充当光镊，将捕获的里德伯原子精确地保持在它们彼此相互作用所需的距离上。该计算机的量子逻辑过程正是基于这些相互作用。

这项任务极具挑战性：开发一套系统，能够利用光镊控制2000个被捕获的锶原子，并将其定位在里德伯量子计算机真空腔室内，定位精度小于100纳米。真空腔室是该计算机的处理单元，两个相邻的原子通过激光激发进入一种状态，在此状态下它们彼此相互作用。这些相互作用可以被控制和测量。科学家们称其为双量子比特逻辑门；它们是里德伯量子计算机中量子逻辑门的基本构建模块。

里德伯原子特别适合量子计算。在激光激发状态下，它们的尺寸超过一微米（µm），因为激发导致其最外层电子短暂地移动到远离原子核的轨道上，但在此轨道上它仍然受到束缚。然而，由于外层电子的弱束缚，这些原子对电场高度敏感，电场也可能来自邻近的原子。科学家们正在利用这一特性来实现对量子操作的高精度电磁控制。

专利量子比特方法

由弗洛里安·迈纳特博士和蒂尔曼·普福教授领导的斯图加特大学第五物理研究所团队，正在研究一种基于里德伯原子的通用量子计算机。他们为此使用了一种基于592纳米“魔幻波长”[1]的专利精细结构量子比特。在此波长下，量子比特的两个状态以及里德伯状态都能在光镊中同样被强烈地束缚，这使得系统特别稳健。如果试图用激光同时激发一对量子比特进入里德伯态，其中一个原子会因它们之间的强相互作用而发生激发阻塞。这是该团队目前在斯图加特正在建造和测试的演示器进行运算操作的基础。开头描述的任务旨在扩展该计算机的规模：所述的光学系统旨在用2000束激光束将原子固定到位，并使得团队能够在持续的计算过程中，重新排列由20 x 100个激光焦点和与之对接的量子比特形成的阵列。为了确保与阵列中相邻原子的最佳相互作用，它们之间的间距精确设定为3.5微米。

高度复杂的激光光学系统设计

为了实现量子门中的高效纠错，2000束激光束中的每一束都必须可独立控制。但这绝不能以牺牲精度为代价：激光焦点之间的距离必须精确控制在小于100纳米的范围内，以确保被激发原子之间能够实现快速、可靠切换的相互作用。

位于亚琛的弗劳恩霍夫激光技术研究所接受了斯图加特研究团队提出的挑战，并基于全面的模拟[2, 3]开发和设计了相应的激光光学系统。组装完成后，在交付前进行了全面的测试。在调试期间无需进行任何重新调整。在量子计算机的整体设计中，仅为该光学系统分配了一平方米的空间，而该系统包含超过150个光学组件。亚琛团队也满足了这一要求，并已成功在现场完成了该紧凑系统的调试。

事实上，他们成功开发了由20行、每行100个独立可控激光焦点组成的阵列，焦点之间保持所需的3.5微米间距。为了实现这一点，该装置——由级联分束器、声光偏转器、透镜和反射镜组成——逐步将最初进入的四束激光束分成所需的2000束独立可控光束。这创建了阵列的中间图像，该图像通过反射镜被引导至一个中继单元。该单元以50倍的缩小倍率将中间图像投影到真空腔室中，其中的2000个焦点充当光镊。简单背景介绍，聚焦的光线会对原子产生吸引力。当焦点移动时，原子也随之移动。美国研究人员阿瑟·阿什金和朱棣文因其对光镊发明的贡献而获得了诺贝尔物理学奖。

初始的四束激光束被分成2000束

“其中一个挑战是将四束进入的准直激光束——总功率为20瓦——分成2000束功率相等的独立可控光束，”弗劳恩霍夫激光技术研究所光学设计与二极管激光器小组负责人马丁·特劳布博士报告说。为了实现这一点，每束光束首先通过所谓的分束立方体。在第一步中，这些立方体将20%的光以90度角偏转，并让剩余的80%通过，到达另一个立方体，在那里光束再次被分束。对于每束激光，这个过程重复五次，最终产生20束功率相等的平行光束。然后这些光束通过声光偏转器（AOD），在那里它们通过声激发晶体中的衍射被分裂和偏转。“声波会引起晶体中折射率的周期性调制，”他解释道。

这创建了一个可控的光栅，出射激光束的偏转角可通过声波频率来改变，而功率分布则可通过振幅来控制。使用100种不同的频率，会产生100个不同的偏转角；进入的20束激光束中每一束都由声光偏转器分成100束子光束，这些子光束也可以单独控制。

定制、极其精确的阶梯反射镜

从100束子光束到独立可控激光焦点的过渡涉及一系列额外的光学元件。首先，傅里叶透镜将这些光束转换成一个远心点阵图案。然而，由于分束立方体和声光偏转器的尺寸，这个图案会太大，无法在真空腔室内以所需的3.5微米间距定位单个原子。需要进一步的光学巧思：2000束激光束被引导到一个分段式反射镜上，该反射镜具有级联阶梯，这些阶梯逐渐变小，最终由只有几百微米大小的镜面组成。在这个级联中，光点之间的距离减小到小于200微米。但即便如此还不够；还需要进一步缩小50倍。

“我们通过将中间图像经潜望镜反射镜引导到第二个平面来实现这一点，在那里一个两级远心中继单元将其缩小并投影到真空腔室中，”特劳布解释说。为了实现阵列中所需的个位数微米间距，该团队将其广泛的专业知识融入到系统设计、光学组件的制造以及它们的组装和对准中。使用了一个带有六个执行器的六足系统来以必要的精度对准反射镜。该系统可以自由地在三个空间方向和角度上调整反射镜，这是一种细致入微的方法，因为光学组件对准中的任何微小偏差都会导致阵列内的间距错误。这将直接影响计算性能，因为未对准的量子比特不再能实现其逻辑功能。而这正是关键所在：每一个逻辑量子比特，都将使量子计算机的潜在性能呈指数级增长。

弗劳恩霍夫激光技术研究所多年的专业知识为解决方案做出了重大贡献

“得益于弗劳恩霍夫激光技术研究所在其40年历史中积累的广泛专业知识，我们才能够设计并成功实施该系统，”特劳布报告说。这表明了激光和光学器件作为构建模块和使能器在未来量子技术领域中的核心地位。“这也适用于我们近乎无噪声的量子频率转换器（一个最近在亚琛投入使用的、面向未来量子互联网的网络节点），以及我们研究所已经开发的、采用选择性激光诱导刻蚀工艺从石英玻璃制造的用于量子处理器的离子阱芯片，”弗劳恩霍夫激光技术研究所量子技术战略任务负责人贝恩德·容格布鲁斯博士补充道。与里德伯原子类似，离子的优势在于它们本质上没有制造差异或具有长相干时间，这使得离子阱和里德伯量子计算机在量子技术社区中越来越受到关注。激光和光学技术构成了这两种方法的基础。