2026年9月8日——氦，可被激光冷却和控制的最轻原子，为高功率、稳定的量子计算机新设计提供了动力。 

在发表于《PRX Quantum》的一篇论文中，由芝加哥大学普利兹克分子工程学院和物理系副教授Jacob Covey领导的团队提出了一项新概念，有望将氦的轻质量转化为下一代量子计算机。

一旦建成，这台计算机可以使用高功率激光作为“光学镊子”来捕获和控制单个氦原子——氦是整体第二轻的元素，也是当前技术能够捕获的最轻元素。这相较基于锂（第三轻元素）的设计是一项重大进步。

“氦比锂更轻，因此量子隧穿速率至少快约三倍，”共同第一作者、Covey实验室博士生Zheyuan Li表示。“氦还具有更清晰可分辨的能级结构，这意味着与锂原子相比，氦可以更容易地被激光冷却。”

该设计使用氦-3，其量子特性与用于冷却核磁共振（MRI）设备、填充派对气球的氦-4不同。科学界的同行对这一创新给予了高度评价。

“通过使用最轻的可捕获原子，这项工作将低质量转化为真正的优势——更快的隧穿、更快的输运和可控的运动量子比特。这是下一代费米子量子模拟器的一份令人信服的蓝图，”未参与该研究的普林斯顿大学物理系教授Waseem Bakr说。

该团队的下一步是与该论文的共同作者、芝加哥大学物理系助理教授Zoe Yan合作建造该设备，首次捕获并控制单个氦-3原子。

“基础已经具备，研究进展正在推进到我们有望在未来一两年内首次将这些原子捕获到镊子中的阶段，”Covey说。

牵引光束与垫脚凳

虽然光学镊子也被用于操控微小物品，但它与钟表匠或美容师使用的微型镊子截然不同。Covey更愿意将其比作科幻小说中的牵引光束——高功率激光捕获并控制单个原子，就像“死星”捕获宇宙飞船一样。

“只需要一束光、一个聚焦点，原子就会被吸引到那个位置，”Covey说。

要捕获原子，激光必须发射足够的能量，使原子从基态跃迁到激发态。所需能量的大小取决于原子的类型，这正是氢——所有元素中最轻的元素——目前无法被捕获的原因：对现代技术来说，所需能量太高。

氦同样需要高能量，但它拥有氢所不具备的东西——第二个电子。这意味着氦可以被诱入一个能量介于基态与激发态之间的临时亚稳态。氢、锂以及其他所有外壳层只有一个电子的原子均没有亚稳态，这意味着它们跃迁到激发态必须一步完成。

如果说到达激发态就像直接跳上桌子，那么亚稳态就像是先拉过来一个垫脚凳。

在许多其他元素中，亚稳态的持续时间以秒计。氦的亚稳态可持续两个小时——这是氦的另一个优势。

费米子与玻色子

Covey团队使用的氦-3同位素，比填充世界各地生日气球的氦-4原子少一个中子。但正是这个中子带来了天壤之别。

在量子层面，粒子间的相互作用遵循两套规则：它们要么是费米子（以芝加哥大学的Enrico Fermi命名），要么是玻色子（以印度物理学家Satyendra Nath Bose命名）。

费米子原子不能同时占据相同的量子空间，这使费米子量子计算机免受许多困扰着基于玻色子的量子计算机的错误的影响。费米子量子计算自20世纪90年代以来一直是一个梦想，直到2026年初才在两种基于锂的模型中取得突破。

与氦-4不同，氦-3是费米子。

“这将帮助我们在该平台上更原生地实现费米子量子计算，而不是尝试使用氦-4这类玻色子原子，然后再去模拟费米子结构，”Li说。

尽管Yan曾在此研究背景下使用过锂-6——氦-3之后下一个更重的费米子，但所有费米子中最轻的那个或许并不值得付出这样的努力。

“氢-1是玻色子。要获得费米子氢，需要使用氢-2（氘），”Covey说。“除了比氦难以操作得多之外，氘实际上并不比氦-3轻多少。”

下一步是建造这台计算机。

“氦-3非常昂贵，”共同第一作者、Covey实验室博士生Rupsa De表示。“所以我们先从氦-4入手，先完成这一步，然后再推进到使用氦-3。”

Covey表示，这些通往氦-3的早期实验不会对全球氦-4短缺状况产生影响。两克氦所含的原子数量——大约足以填充一个派对气球——是3后面跟23个零。

“我们最终只需要数十个原子，”Covey说。“如果只买一个五升的氦气罐，就足够我们用很多年了。”