如何在扩大阵列规模的同时保持较高的单原子装载效率，是实现大规模中性原子量子处理器面临的关键挑战。6163银河线路检测中心现代光学研究所彭湃、龚旗煌团队，联合合肥国家实验室、6163银河线路检测中心量子材料科学中心和中国人民大学等单位，采用蓝失谐光辅助碰撞方法，在一次实验中捕获2400个镱-174原子，创造了类碱土金属原子光镊阵列规模世界纪录。

中性原子体系凭借良好的可扩展性、较长的相干时间和灵活的操控方式，近年来已成为量子计算、量子模拟和精密测量的重要平台。其中，镱、锶等类碱土原子还具有里德堡门保真度高、便于识别擦除错误等优势。然而，这类原子在商用高功率激光常用的近红外波段极化率较低，难以利用光镊同时构建数量多且阱深足够的原子阵列。与此同时，传统随机装载方法的单原子装载率通常只有约50%，进一步限制了无缺陷阵列的规模。因此，类碱土原子阵列的规模长期落后于碱金属原子阵列，成为构建大规模中性原子量子处理器的主要瓶颈之一。

图1 大规模原子阵列示意图。

针对这一问题，研究团队利用可编程空间光调制器产生2939个532纳米光镊，并引入蓝失谐光辅助碰撞机制。在通常的光辅助碰撞过程中，同一光阱中的两个原子容易同时损失。团队通过精确调节碰撞光的频率和强度，提高碰撞后仅损失一个原子的概率，从而显著提升单原子装载效率。最终，团队在单次实验中成功捕获2437个镱-174原子，实现了目前规模最大的类碱土原子光镊阵列；近3000个光阱的平均装载效率达到83.5%，装载后原子的成像保真度和单次成像存活率分别达到99.3%和99.1%。这一成果有效突破了镱原子阵列长期面临的规模瓶颈。

图2  左：2939个光镊构成的阵列平均荧光图像；右：单次实验中捕获2437个镱-174原子。

除了实现大规模阵列外，团队还考察了该方法在不同阵列规模下的表现。对从几十个到数千个光阱的阵列进行测量后发现，装载效率始终保持在80%以上，显示出良好的扩展性。为进一步理解这一结果，团队建立了定量碰撞模型，将原子间非弹性碰撞概率与实际装载效率直接联系起来，并通过不同原子间相互作用势的实验进行了验证。结果表明，即使相互作用只在部分方向上具有排斥性，也能有效提高单原子装载效率。因此，该方案不仅适用于镱等类碱土原子，也有望推广至更多原子种类以及具有偶极相互作用的分子体系。

面向量子计算应用，团队进一步提出将量子比特编码在镱-174原子的基态和钟态中，并开展了数值模拟。在实验可实现的参数条件下，CZ双比特门的理论估算保真度可达99.91%。这一结果表明大规模原子阵列与高保真量子操控之间具有兼容的可能性。未来，这类阵列有望进一步发展为大规模、低缺陷且可持续运行的量子处理器，为实现量子纠错和逻辑量子操作奠定基础。

该研究以“High-efficiency loading of 2,400 ytterbium atoms in optical tweezer arrays”为题，于2026年8月4日发表于Physical Review Letters，并入选Editors' Suggestion。6163银河线路检测中心诸嘉雯、陈长风为共同第一作者，张胜副研究员、彭湃助理教授为共同通讯作者。

论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/bp6k-8zmd