文献解读 | 超表面光镊阵列：从 1000 个囚禁原子到 36 万个光镊（Nature 2026）
论文简介
本期的解读对象是哥伦比亚大学 Holman、Xu、Sun 等人发表于 Nature 的论文《Trapping of single atoms in metasurface optical tweezer arrays》（2026 年，第 649 卷，859–865 页，DOI: 10.1038/s41586-025-09961-5）。共同作者包括 Aaron Holman、Yuan Xu、Ximo Sun、Jiahao Wu、Mingxuan Wang、Zezheng Zhu、Bojeong Seo，通讯作者为 Nanfang Yu（虞南方）与 Sebastian Will。arXiv 预印本 可公开获取（2024 年 11 月提交，2025 年 8 月更新至 v3），期刊正式版 提供题录与全文页面。
一句话贡献：用富硅氮化硅（SRN，silicon-rich silicon nitride）与二氧化钛（TiO₂）两种高折射率材料制成透射式全息超表面，在 520 nm 可见光下把任意几何的光镊阵列”写”进一片亚波长像素的平面器件里，捕获了超过 1000 个单个锶原子，并以 600×600、36 万个光镊的阵列演示了远超现有光束整形器件的扩展能力。
光镊阵列为什么需要”芯片化”
把单个中性原子囚禁在一束紧聚焦激光里、再排成二维阵列，是当前量子计算、量子模拟与量子计量领域最活跃的技术路线之一。阵列中的每个光镊都对应一个可独立制备、操控和读出的量子比特位置，这类平台的保真度与可编程性在过去十年里快速提升。
但”谁来生成光镊阵列”一直是规模化路上的关键问题。目前绝大多数实验使用声光偏转器（AOD，Acousto-Optic Deflector）、液晶空间光调制器（SLM，Spatial Light Modulator）或数字微镜器件（DMD，Digital Micromirror Device）这类主动光束整形器件。它们都能动态改变光斑图案，代价是需要复杂的控制电子学和高数值孔径（NA，Numerical Aperture）的投影光学系统，才能把整形后的图案缩小并送入真空腔。器件本身尺寸大、像素粗，阵列的几何自由度、规模和可扩展性都受到限制。
超表面给出了一个不同的思路：把相位图案直接编码进一层由亚波长纳米柱组成的平面结构。光束经过这层结构时，每个像素位置获得预先设计的相位延迟，从而在焦平面上叠加出任意光强图案。超表面没有活动部件，不需要逐像素电控，整片器件只有几百纳米厚。论文展示的基片只有 20×20 mm，却集成了 6 片超表面，每片对应一种不同的光镊阵列图案——换阵列就像换芯片一样简单。
选择锶（Sr）原子作为囚禁对象也有讲究：锶有 461 nm 的强跃迁用于冷却与荧光成像，配合 679 nm、707 nm 重泵浦光，可以高效成像；689 nm 的窄线跃迁（线宽约 7.5 kHz）则能把原子进一步冷却到微开尔文量级。这些波长的光路与超表面工作波段匹配良好，是验证”超表面能否真正参与冷原子实验”的合适平台。
全息超表面如何”画出”光镊阵列
图 1：(a) 全息超表面的工作原理——入射的准直高斯光束被相位图案调制后，在焦平面产生二维紧密光镊阵列；本文超表面焦距 0.7 mm、有效 NA 大于 0.6。(b) 集成 6 片超表面的 20×20 mm 基片照片（每片直径 1.16 mm）、超表面局部 SEM（扫描电子显微镜）图与 meta-atom 单元示意（290 nm 像素，柱宽 100–190 nm、柱高 750 nm）。(c) ⁸⁸Sr 与本工作相关的能级图：461 nm 冷却与成像、679/707 nm 重泵浦、689 nm 窄线冷却。(d) 囚禁与成像光路：520 nm 光镊激光经 AOM（声光调制器）控制强度后照亮超表面，阵列经高 NA 物镜准直、1:1 望远镜中继并聚焦进超高真空玻璃腔囚禁原子。
工作原理分三步。第一步，确定目标图案：把想要的二维阱阵列（例如 1024 个点排成 32×32 方阵）作为焦平面上的目标光强分布。第二步，求解相位：用基于 Gerchberg–Saxton 算法的迭代优化，求出一张纯相位全息图——它同时完成”整形”和”聚焦”两件事，器件本身不再需要额外的透镜。第三步，把相位图翻译成纳米结构：每个 290 nm 见方的像素里放一根方形截面的纳米柱，柱子的宽度不同、提供的相位延迟就不同，从而覆盖完整的 0–2π 相位范围。
meta-atom（亚波长结构单元）的参数决定了器件的性能边界。论文使用的纳米柱是非双折射的方形截面结构，柱心距（即像素尺寸）固定为 290 nm；SRN 柱高 750 nm、TiO₂ 柱高 600 nm，柱宽从 100 nm 到 190 nm 变化。用严格耦合波分析（RCWA，Rigorous Coupled-Wave Analysis）计算得到的相位库表明，这套结构在 520 nm 波长下不仅覆盖完整 2π 相位，透过率还都在 95% 以上。高折射率、低吸收的 SRN 与 TiO₂ 同时保证了可见光波段的高效率，且制备流程与 CMOS 工艺兼容。
四种图案，上千个原子：荧光图像说明什么
图 2：锶原子在超表面生成光镊阵列中的荧光图像（每幅为 100 张无奇偶投影图像的平均）：(a) 183 阱自由女神图案，平均间距 3 μm；(b) 225 阱彭罗斯准晶图案，平均间距 4 μm；(c) 1024 阱方格阵列（对应 32×32 周期方阵），平均间距 2.5 μm；(d) 16 阱项链图案，平均间距 1.45 μm。
阵列的”任意几何”不是修辞，而是荧光图像直接呈现的事实。图 2 给出了四种截然不同的图案：象征性的自由女神轮廓、没有平移对称性的彭罗斯准晶、规整的 32×32 方格、以及间距只有 1.45 μm 的项链。任意图案都能生成，说明决定光镊位置的是全息相位图，而不是任何光学元件的固定周期结构——这正是超表面相比传统微透镜阵列最本质的差别。
实验上，这些阵列的规模目前只受限于光镊激光功率（装置上约 1 W），而不是超表面本身。每个阱里原子数的初始填充是统计随机的，阵列越大、需要的激光总功率越高；论文指出，只要激光功率充足，同样的设计可以直接扩展到更大的阵列。
单原子读出：16×16 阵列里的”有/无”判断
图 3：16×16 超表面阵列中的单原子制备与读出。(a) 单幅荧光图像，虚线框标出阱位；(b) 奇偶投影后占据阱数的直方图，阵列平均占据 106(11) 个阱，对应平均阱占据率 41(4)%；(c) 典型阱的光子计数直方图（500 次实验平均），虚线标出阈值，可高保真地区分阱内有 0 个还是 1 个原子。
光镊阵列要用于量子计算，第一步是让每个阱里”恰好一个原子”。论文在 16×16 阵列上完成了单原子制备与读出：初始加载后每个阱的原子数是随机的，随后进行奇偶投影（parity projection）——利用 689 nm 共振附近的 Sr₂ 分子光缔合过程，让阱里偶数个原子成对丢失，最终只剩”1 个原子”或”0 个原子”两种状态。投影后阵列平均占据 106(11) 个阱，对应平均阱占据率 41(4)%，即超过 100 个阱里各有一个单原子。
读出则靠 461 nm 荧光成像：收集每个阱位置的光子数并设定阈值，就能判断阱里有没有原子。论文测得 16×16 阵列的成像保真度大于 95(3)%，而在不受光镊功率限制的 4×4 阵列上，填充率提高到 49(3)%、成像保真度达到 99.8(5)%。这两个数字说明，超表面生成的光镊不仅”形状对”，而且浅得均匀、稳得足够完成单原子级的制备与探测。
均匀性：量子平台最看重的一致性
图 4：用原子响应表征 16×16 阵列（4 μm 间距）的均匀性：左列为逐阱测量的 (a) 阱深 U、(b) 径向阱频 νr、(c) 阱位偏移，右列为对应直方图。
量子门操作的保真度对阵列一致性极其敏感：如果每个阱的阱深不一样，原子的光移就不同；如果径向阱频不同，局域振动模式就不同；如果阱位有偏移，寻址光束就会打偏。论文对 16×16 阵列做了逐阱的”原子体检”：通过 ¹S₀–³P₁ 共振的光移测量每个阱的阱深，通过参数加热测量径向阱频，再比较观测阱位与目标阱位的偏差。结果显示，阱深、阱频与阱位在整个阵列中都高度一致，论文摘要的评价是”媲美甚至超越现有方法”。
这一结果也解释了超表面的定位：它不只是”能生成图案”的演示级器件，而是能提供量子平台所必需的高均匀性——这正是从原理验证走向实际量子实验的关键一步。
像素尺寸决定”天花板”：为什么 290 nm 是这场变革的关键
图 5：像素化光束整形器件的性能。(a) 不同像素尺寸 d 对球面透镜相位轮廓的近似：d≪λ、d∼λ、d≫λ 三种情形，大像素无法再现陡峭相位梯度，可用口径被压缩；(b) 有效 NA 随像素密度 1/d 的变化曲线（几种常见光镊波长），黄色星号标记本文器件（d=290 nm）；(c) 520 nm、300×300 像素器件生成 3×3 阵列时阱的半高全宽（FWHM）随像素密度变化，数据点从液晶 SLM（d=4 μm）延伸到本文超表面（d=290 nm），虚线为有效 NA 模型拟合；(d) 阱强度均匀性随阱数与像素数的仿真（1000×1000 至 16000×16000 像素，d=290 nm），均匀性定义为 100% 减去阱间强度标准差。
为什么像素小这么重要？因为像素化器件再现相位的能力有一个物理上限。要让一束光偏转角度 θ，相邻像素之间必须提供对应的相位差；像素尺寸 d 越大，能实现的相位梯度就越陡峭，器件边缘的高 NA 部分就越难被”画”出来。论文给出像素化透镜有效数值孔径的解析模型：
$$
\mathrm{NA}=\frac{1}{\sqrt{1+(4d/\lambda)^2}},
$$
其中 d 为像素尺寸、λ 为波长。这个公式的物理含义很直观：当像素远大于波长（d≫λ）时，有效 NA 趋近于 0——液晶 SLM 和 DMD 的像素通常是数微米，在可见光波段就落在这个区间，有效 NA 被限制在 0.05 以下，所以这类器件必须再接一组高 NA 投影光学才能把图案缩小。而当像素小到亚波长量级，有效 NA 可以做到 0.5 以上，光镊直接被聚焦到足够小、可以直接囚禁原子，投影光学这一步就可以省掉。
表 1：光束整形方案对比（数据与表述来自论文正文与图 5）
| 方案 | 像素/单元尺寸 | 有效 NA | 特点 |
|---|---|---|---|
| 液晶 SLM | 数微米 | d≫λ 时低于 0.05 | 动态调制，需要高 NA 投影光学 |
| DMD | 数微米 | 低于 0.05 | 动态调制，像素粗 |
| 全息超表面（本文） | 290 nm | 论文报告大于 0.6 | 静态、无活动部件，可多片集成 |
有效 NA 更高还带来一个连锁收益：阱的焦点更紧。按衍射极限，聚焦光斑的半高全宽大约为 0.51λ/NA，NA 越高、FWHM 越小，同样面积里就能放下更多不串扰的光镊。论文的仿真同时显示，像素数越多，阵列的阱强度均匀性越好——从 1000×1000 像素到 16000×16000 像素，均匀性单调上升。这两条曲线合起来说明：小像素 + 高像素数是”大而均匀”光镊阵列的两个必要条件，而超表面恰好同时满足。
36 万个光镊：600×600 阵列
图 6：600×600 光镊阵列的实现与表征。(a) 光学表征装置（含 NA 0.85 成像物镜）与置于傅里叶面的 3.5 mm 直径 TiO₂ 超表面，在像面生成覆盖 1.5×1.5 mm 的 600×600 光镊阵列；(b) 126 张高分辨率图像拼接成的全阵列图像，右侧 8 幅边缘放大图展示阱的均匀性与质量；(c) 单个光镊内光学功率的直方图。
论文的规模化演示是一块直径 3.5 mm 的 TiO₂ 超表面，包含约 1.14 亿个像素，在焦平面上生成 600×600 的方阵——整整 36 万个光镊，间距 2.5 μm，阵列覆盖 1.5×1.5 mm 的区域。全阵列图像由 126 张高分辨率照片拼接而成，边缘放大图显示每个阱的形态和质量都保持得很好，光功率直方图也相当集中。
需要澄清一个口径：36 万个光镊是光学阵列演示，指的是”超表面能同时生成 36 万个焦斑”；而原子层面的演示规模是超过 1000 个囚禁单原子。要把 36 万阱全部装上原子，还需要足够的激光功率与相应的冷却、成像系统——论文指出这正是下一步要做的事。TiO₂ 材料在这里显示出特殊价值：它能承受超过 2000 W/mm² 的光强而不需要主动冷却（SRN 的容限为 25 W/mm²），这对扩展到超过 10 万阱、甚至更大阵列至关重要；整套器件的衍射效率约为 60%，意味着还有一部分光被衍射到非目标级次，这也是工程上要继续优化的方向。
意义与展望
这篇论文的意义在于把”光镊阵列的生成”从笨重主动器件换成了平面静态器件，并第一次把单原子级别的验证做完整：任意几何、亚微米像素、高有效 NA、超过 1000 个囚禁原子、逐阱均匀性表征，最后用 36 万个光镊展示扩展能力。结合中性原子量子计算的大背景——同一时期业界也在探索纤维阵列等其他紧凑化路线，超表面方案提供了另一种”把量子处理器变小”的可能：多片阵列集成在一块基片上，未来可以像更换芯片一样更换阵列图案，让光镊平台走出实验室环境成为可能。
从原理验证走向实际应用，仍有几个待推进的方向。其一，36 万阱阵列目前是光学演示，逐阱原子装载与独立寻址控制需要在更大规模上验证；其二，静态全息图案天然缺少动态重排能力，与 AOD/SLM 这类动态器件组合、或开发可重构超表面，是值得探索的互补路线；其三，波长选择上，论文观察到 520 nm 光镊在 Sisyphus 冷却过程中伴随一定的电离损耗，并指出 813 nm 等替代波长不存在这类问题，后续可以按应用场景选择更优的囚禁波长；其四，更大阵列需要更高激光功率与更强的散热、成像系统配套，衍射效率（约 60%）也有继续提升的空间。这些边界并不改变方向本身：超表面光镊阵列已经证明自己是一台合格的”单原子排布机”，接下来要回答的是它能排多大、排多稳。
参考资料
- Holman, A., Xu, Y., Sun, X. et al. Trapping of single atoms in metasurface optical tweezer arrays. Nature 649, 859–865 (2026). DOI: 10.1038/s41586-025-09961-5
- arXiv 预印本（v3）：https://arxiv.org/abs/2411.05321
- 期刊正式版：https://www.nature.com/articles/s41586-025-09961-5
- Wang, Y.-B. et al. A fiber array architecture for atom quantum computing. Nature Communications 16 (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-64738-8（开放获取）