2026年3月30日——加州大学圣塔芭芭拉分校与马萨诸塞大学阿默斯特分校的研究团队取得突破性进展，首次实现了芯片级稳定可见光激光器驱动囚禁离子原子光钟与量子比特。这项成果将推动囚禁离子量子信息系统向小型化、便携化和可扩展化方向发展，标志着量子科学从严格控制的实验室环境迈向实际应用的重要一步。

“这项工作的开创性在于，我们证明了芯片级集成光子稳频激光器能够将精密光源与目前人类研究的最窄原子光学跃迁之一相连接，同时囚禁离子本身是在室温工作的表面陷阱芯片上产生的。”加州大学圣塔芭芭拉分校电气与计算机工程教授、发表于《自然-通讯》论文的资深作者丹尼尔·布鲁门萨尔表示。

布鲁门萨尔研究团队致力于将通常体积庞大的激光器、光学组件乃至占据整个房间的量子光学光-物质实验装置，缩小至约一副扑克牌的大小。传统实验装置中，激光器等核心组件往往占据90%的实验台空间，不仅需要人工调试，还极易受环境干扰。通过将这些组件微型化为芯片并实现室温运行，量子测量、传感与计算的强大能力将惠及更多研究者，适用于更广泛的实验场景，同时显著提升技术的鲁棒性与便携性。

“这些便携式量子电路未来可部署于地球各处、卫星、月球乃至太空。”布鲁门萨尔解释道，“这种精密便携时钟的应用前景包括暗物质与暗能量探测、重力场测绘、广义相对论验证、基本物理常数测量及其潜在时变性研究。”他补充说，由这类时钟组成的网络还能监测地球重力场变化、绘制太阳系天体重力分布图，或感知地质条件变迁。

在与马萨诸塞大学阿默斯特分校罗伯特·尼芬内格教授团队的合作中，研究人员聚焦量子实验的核心环节：囚禁离子（本实验中的量子载体）的捕获、态制备与操控，这些离子随后可用于各类量子操作。根据实验需求，这些离子能以目前最高精度实现传感、测量、计时与计算功能。

激光在离子量子态制备与调控中起着关键作用。研究团队采用的可见光布里渊激光器具有极低频噪，其量子操作性能远超传统激光器。同样重要的是，该芯片级激光器通过布鲁门萨尔团队首创的集成线圈谐振器技术（集成于第二块芯片），使激光能长时间锁定在锶原子钟跃迁所需的极端精密频率范围内——这一高灵敏操作通常需要庞大的台式设备才能实现。

下一步研究将整合态制备与管理（SPAM）、时钟与量子比特控制所需的其他激光器，以及容纳表面电极离子阱的“物理封装”系统。

“要实现量子技术的可扩展性或便携性，激光系统也必须完全集成在芯片上。”尼芬内格指出，“通过这种方式，我们可以在单个芯片上集成百万级量子比特，这是传统满屋激光器和光学元件无法企及的。若想真正实现规模扩展，必须借鉴传统计算机通过集成化实现发展的路径——这正是我们遵循的技术路线。”

研究人员通过实验验证了该系统在关键量子操作（包括SPAM和囚禁离子光谱）中的性能。量子比特作为量子信息的基本单元，与经典计算机的“比特”本质不同：它能同时处于0和1的叠加态，因而可解决经典计算难以处理的复杂问题。核心挑战在于量子操作过程中如何保持这种极度脆弱的状态。

实验数据显示，该系统仅需不到传统台式激光器一半的控制脉冲即可实现99.6%的SPAM保真度，大幅缩短态制备时间并加速后续计算/传感进程。该成果为通向逻辑量子比特和量子计算所需的高保真量子操作奠定了基础，而性能的持续提升将开启量子传感应用的新篇章。

这是布鲁门萨尔实验室在构建全芯片级量子实验光子系统（涵盖囚禁离子与中性原子）征程中的最新成果。该团队此前已在微型激光器集成，以及掌上设备中光路调谐、稳定与引导组件的研发方面取得系列突破。

“我们才刚刚启程，未来几年的发展令人无比期待。”布鲁门萨尔充满热情地展望，“传统观念认为集成激光与光子技术会牺牲性能换取便携性，但我们现在看到集成反而能提升性能。与物理学家们的合作将开启集成化物理实验的新纪元，这必将是个激动人心的时代。”