2026年3月30日——美国马萨诸塞大学阿默斯特分校Riccio工程学院与加州大学圣塔芭芭拉分校的科学家们成功演示了帮助量子计算机尺寸大幅缩小的关键激光器和离子阱组件，这一成就堪比上世纪70至90年代集成电路微处理器的微型化进程，正是该进程使得计算机从房间大小的庞然大物演变为如今超薄智能手机的形态。

当前最先进的量子计算技术因体积庞大、结构复杂而难以扩展，又因敏感笨重而无法便携。这些量子系统中最大且最精密的组件是光学系统，包括多台激光器以及配备超稳光学腔的振动隔离温控真空舱。这些光学腔将激光稳定至极高精度，以操控囚禁离子用于量子计算和光学原子钟。

在一篇新论文中，研究人员展示了集成化量子计算系统芯片所需的关键稳频激光组件，有望将量子计算硬件部分从房间大小缩减至扑克牌尺寸的芯片级。这是实现量子计算可扩展性的关键第一步，也为光学原子钟（基于相同囚禁离子技术）的便携化创造了可能。

“要实现量子技术的可扩展性或便携性，激光系统也必须全部集成在芯片上，”电气与计算机工程助理教授Robert Niffenegger表示，“该团队可以在单个芯片上集成数百万量子比特，而传统方案需要整个房间的激光器和光学设备则无法实现。若真要达到那种规模，必须借鉴传统计算机通过集成实现扩展的路径。这正是该团队遵循的技术路线。”

在量子计算机中，这些囚禁离子系统作为“量子比特”，其功能类似于传统计算机存储和处理数据的比特，但运作原理基于量子物理法则而非二进制0和1。光学原子钟通过计数可见光振荡频率，并用囚禁离子的原子跃迁进行验证来计时，由此产生的超高精度可应用于绘制厘米级精度的地球引力场图，以及增强深空导航和GPS系统等领域。

通过与加州大学圣塔芭芭拉分校Daniel Blumenthal教授团队合作，该研究首次证明这些大型精密激光器可被小型光子芯片取代。研究表明这项新型光子技术能用于操控囚禁离子，执行量子比特运算和原子钟操作。

研究人员测试了该设计执行关键量子运算（包括制备量子态）的性能。结果显示该系统已达到量子计算所需的高保真量子态制备与测量精度，进一步优化后将实现量子传感应用。完整研究成果发表于《自然-通讯》。

“虽然尚未达到顶级原子钟性能，但首次尝试就取得重大突破，且后续进展更为显著，”Niffenegger补充道。

他指出，长期来看该设计是构建实用化大型量子计算机的关键第一步，这类计算机能解决当今超级计算机无法处理的复杂问题，例如破译保护全球敏感数据的加密系统。许多专家预估此类应用需要数百万量子比特。

“要构建超越传统超级计算机的真正实用化系统，必须实现芯片级集成量子系统，”Niffenegger强调，“不可能用足球场大小的激光器和光学设备来实现，这根本行不通。集成化是唯一可行路径。”

短期而言，该团队认为这项新技术将推动光学原子钟便携化进程。通过将激光器和光学腔集成到光子芯片上，光学原子钟可变得更紧凑坚固，从而应用于外太空等全新场景。

“这实则是将精密光学原子钟送入太空的唯一可行方案，”Niffenegger表示，“可能开启基础物理学的新验证维度。”例如他设想通过让光学原子钟沿椭圆轨道绕太阳运行，检验自然界基本常数在不同距离下是否存在变化。“目前由于该系统体积更小且抗振性更强，它已是太空环境的最佳光学原子钟选择。”

主要技术挑战在于无需传统光学腔笨重隔离系统的情况下保持激光稳定性。“芯片方案无法采用这种设计，”Niffenegger解释，“这正是集成化的优势所在。如果要实现便携式集成解决方案，必须确保其坚固性。系统仍需温控，但无需真空环境。”研究人员开发了通过实验校准动态补偿漂移的新方法。

“这感觉就像驯服公牛，”他形象描述，“原子钟不断偏离，需要用超高精度原子钟捕捉其信号，不仅要捕捉到，还要在信号漂移时持续锁定。”

下一目标是将离子阱芯片、激光芯片、光学腔芯片及其他光子组件完全集成至单一芯片。“既然已证明集成光子学能实现精密量子操作，”Niffenegger表示，“下一步就是将所有组件整合为统一量子系统芯片。”

该工作获得美国国家科学基金会授予Niffenegger的CAREER奖项资助。