在量子计算与量子网络实验中，单量子比特的高效率读出及并行读取是阻碍实验前进的两个关键技术瓶颈。近日，美国斯坦福大学Jonathan Simon团队成功将中性原子阵列与光学腔量子电动力学的优势深度融合，研发出“腔阵列显微镜”的全新实验平台。该平台首次实现了二维原子阵列中，每个单原子独立、强耦合到专属的光学腔，完成了超过40个原子-腔对的并行、快速、非破坏性读取。这一成果标志着量子信息实验研究从传统的“单腔”实验范式，正在迈向协调控制大规模量子比特阵列与光子阵列互联的广阔前沿。相关研究成果近期发表在国际权威学术期刊《自然》[Nature 650, 320 (2026)]。
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一、背景：强强联合的瓶颈
中性原子阵列和光学腔是当前量子信息科学领域中的两个主流实验方向。原子阵列以其卓越的量子逻辑门保真度和可扩展的规模（已近万个原子）著称，是量子计算的明星候选者。光学腔则能通过光场的多次反射极大增强光与物质的相互作用（强耦合）是实现高速原子态读取、构建量子网络节点及模拟新奇物理的关键工具。
然而，长久以来，将二者结合的尝试始终受限于一个根本性架构：整个原子阵列只能共同耦合到一个全局共享的腔模式上。要读取其中某个原子的状态，必须通过激光逐点寻址或物理移动原子等串行方式，时间成本随系统规模线性增长，严重制约了并行处理能力和可扩展性。开发一种能让每个原子拥有“独立通道”的并行化耦合架构，成为领域内迫在眉睫的挑战。
最新实验已经实现超过6000个的中性原子阵列的高保真相干操控
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二、创新：腔阵列显微镜的诞生
面对这一挑战，研究团队另辟蹊径，设计并构建了“腔阵列显微镜”。其核心创新在于，利用自由空间光学元件和腔内透镜，无需复杂的纳米光子器件，便在宏观尺度上创造了一个包含超过40个独立高斯腔模式的二维阵列。研究团队在腔内使用了一个两级4f望远镜系统(倍率100)；在真空外部的望远镜像平面处引入了微透镜阵列，打破了腔的空间平移对称性，为每个局部光束提供横向约束，抑制光学像差的累积，使远离系统中心轴的光束也能稳定形成高品质的局域腔模式。最终在原子平面处实现超过40个的极小腔模，且同时腔的频率偏差远小于腔线宽。通过光与原子的强耦合，将会极大提升光子接口效率；同时“腔-原子对阵列”的一一匹配模式为实现并行操作奠定了基础。
腔阵列显微镜4F望远镜系统，长焦透镜及微透镜阵列位于真空系统外部
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三、性能表征：并行读取与强耦合验证
研究团队使用铷-87原子阵列对该平台进行了全面表征，测量得到阵列平均精细度F=13.4，平均腔模束腰w=1.01微米。据此计算出峰值协同因子C=1.6，已大于1，表明系统真实工作在强耦合区。利用波长为780纳米的荧光驱动光，在仅4毫秒的曝光时间内，通过EMCCD相机同时对中央21个腔模式进行成像。经过后处理，获得了平均区分保真度高达0.992的双峰分布信号，清晰分辨了“有原子”和“无原子”状态。同时，原子在成像期间的存活率超过0.996。阵列中各腔光子计数之间的交叉关联度平均≤1%，强有力地证明了每个原子-腔对是独立且隔离良好的。
光纤耦合至SPCM用于原子成像；c.装置示意图，d.原子荧光分布统计，e.原子荧光计数
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四、迈向量子网络，下一代设计与广阔前景
腔阵列显微镜不仅用于快速成像，其高效率光子收集能力更是构建量子网络的理想接口。作为原理验证，研究团队成功将一个四腔模式阵列耦合到四芯光纤阵列，每个光纤连接一个单光子计数模块。尽管存在异质性，仍获得了与相机相当的成像保真度。这种并行光纤读出为实现分布式量子计算节点间的纠缠分发和高速通信提供了可行的技术路径。
新一代“腔阵列显微镜”（采用双4F望远镜系统)
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论文中还展示了最新的下一代设计原型。该设计用第二个4f望远镜和平面端镜取代了弯曲端镜，消除了第一代中因镜面反射导致的模式空间反转和双陷阱问题。在真空外测试中，实现了超过500个可分辨的腔，平均精细度提升至110（相比第一代提升超8倍），其中超过400个腔能在优化线宽内保持简并。预计优化后，整个阵列的并行成像时间可缩短至100微秒以下。
研究人员展望，该平台将有力推动模块化量子计算，量子模拟，大规模原子囚禁等多个前沿方向。
腔阵列显微镜设想用于计算、仿真和计量的远程节点
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总结
“腔阵列显微镜”的成功研制，解决了原子阵列与光学腔集成中的核心并行化难题，首次将强耦合光-物质相互作用的优势扩展到了真正的多体、并行架构。这不仅为提升量子信息处理的速度和规模提供了关键技术，更为探索多腔量子电动力学这一全新领域打开了大门。
[1] Shaw, A.L., Soper, A., Shadmany, D. et al. A cavity-array microscope for parallel single-atom interfacing. Nature (2026). https://doi.org/10.1038/s41586-025-10035-9
[2] Manetsch, H.J., Nomura, G., Bataille, E. et al. A tweezer array with 6,100 highly coherent atomic qubits. Nature 647, 60–67 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09641-4