大规模阵列与连续运行｜中性原子量子计算知识库

纠错要求"数千到数万物理比特"已经从口号变成工程指标：多微透镜阵列并行扩容冲上千原子，6,100 比特阵列同时刷新相干时间（12.6 s）、寿命（约 23 分钟）与成像生存率（99.98952%）纪录，光晶格传送带把原子库源不断"灌进"科学区，实现 3,000 比特阵列维持超过 2 小时的连续运行——规模、相干性与循环率第一次被同时抓住。

问题背景

门保真度跨过阈值之后，量子纠错的下一道门槛是规模：最省资源的协议也需要数千个物理比特。中性原子的扩容受四类限制：单光源能产生的光镊总数（激光功率与光纤受激布里渊散射上限）、装载率（碰撞阻塞决定了每阱至多一个原子、装载概率约一半）、真空受限的寿命（决定一次装载能用多久）、以及探测与搬运在大视场下的均匀性（见光镊阵列与魔强度陷阱与原子损失与容损失架构）Pause 2024 Manetsch 2025。

2024–2025 年的三条技术路线分别回应了这些限制：多阵列并行（用多个独立微透镜阵列交错/堆叠/拼接，把比特数几乎按阵列数线性扩展）、大阵列下不牺牲相干（把 6,100 比特与破纪录的相干时间、寿命、成像质量放在同一台设备上）、以及连续补给（用光晶格传送带把原子库源送入科学区、边运行边重装，摆脱”脉冲式”运行的循环率瓶颈）Pause 2024 Manetsch 2025 Chiu 2025。

理论模型

装载—损失的平衡

把阵列看作损失速率为 $1/ τ$ 的库（真空寿命 $τ$ ），补给速率为 $R$ （每秒成功置入阱中的原子数），原子数满足

\frac{d N}{d t} = R - \frac{N}{τ} ⟹ N_{\infty} = R τ .

脉冲式运行只能靠一次装载”吃老本”，而连续运行把 $R$ 做大：NA167 的双光晶格传送带架构实现 $3 \times 1 0^{5}$ 原子/秒的装载率、每秒初始化超过 3 万个量子比特，从而把 3,000+ 原子阵列维持超过 2 小时 Chiu 2025。补给流的原子来源与探测质量同样关键：光晶格库源需要单比特分辨的高保真成像支撑（NA159，摘要级）Tao 2024。

交错扩容与”超级填充”

单光源的阱数上限记为 $M$ ，用 $K$ 个独立光源/微透镜阵列（MLA）交错合并后阱数约 $K \times M$ ：NA163 用两个 MLA 把 1,500 量级的阱数翻倍，平均每次实现记录到 1,167(45) 个单原子（2,000 次重复中每次都超过 1,000，最多 1,305）。“超级填充”（supercharging）把副阵列当库源：副阵列每个位点向主阵列相邻缺陷做按需插入，蒙特卡洛显示从 50% 初始装载出发、插入效率理想时无缺陷填充率可达 89%；实测平均插入效率 78% Pause 2024。

规模—保真度的协同指标

大规模阵列的工程指标不是原子数一项，而是”规模 × 相干 × 寿命 × 探测 × 搬运”的联合记录。NA165 的意义在于同时性：6,100+ 比特规模下，超精细 qubit 相干时间 $T_{2} = 12.6 (1)$ s（XY16 动力学解耦，超精细 qubit 光镊阵列纪录）、室温真空受限寿命 $τ = 22.9 (1)$ min（脉冲 PGC 冷却）、成像生存率 99.98952(1)%（成像保真度超过 99.99%）、搬运保真度 99.953(2)%——每一项单独都接近纪录，同时成立才是分区架构（分区架构）可行的证据 Manetsch 2025。

多次移动的保真度预算

分区架构要求原子在存储区与相互作用区之间往返约 500 μm——远超单次重排的典型距离，搬运误差必须按”乘法”记账： $M$ 次独立移动后的存活与保真度大致按瞬时保真度 $f$ 的 $M$ 次幂衰减，因此 $f$ 必须足够接近 1 才能支撑几十次往返。NA165 用交错随机基准（在 $M$ 次移动之间插入随机 Clifford 门）测量移动保真度：610 μm 对角移动的瞬时保真度 99.953(2)%，且在前约 30 次移动内不衰减；交叉 AOD 的作用正是把柱面透镜像差（随视场增大而恶化）转化为可快去的球面像差。这类”移动即操作、操作即计费”的度量方式与原子搬运与相干输运中的相干输运指标一脉相承 Manetsch 2025。

探测保真度：误差模型的第一入口

阵列规模上去之后，探测成为误差模型的第一入口：每一次图像既是初始化的判据也是纠错的症状。NA165 用连续三帧图像做分类（如 $0 \to 1 \to 1$ 指向第一帧的假阴性），把成像保真度推到”更接近 99.999%“，同时保持 99.98952(1)% 的生存率——生存率与保真度必须一起报告，因为只用更亮的冷却/更深的阱换保真度会牺牲寿命。NA163 的 EMCCD 探测保真度为 99.8(2)%，NA159 的光晶格钉扎成像（排斥型 Sisyphus 冷却）给出 99.971(1)% 保真度与 99.80(5)% 生存率的组合。探测、寿命与装载之间的这类三角权衡，正是原子损失与容损失架构要形式化的对象 Manetsch 2025 Pause 2024 Tao 2024。

方法与实现

多 MLA 交错阵列（NA163）。75 μm 间距、1.1 mm 焦距的微透镜阵列经准直光束照明产生 5.2(1) μm 间距、1.0(1) μm 束腰的方格镊阵（799.5 nm，中心阱深 $k_{B} \times 0.5$ mK）；两路独立激光经偏振分束器合并、再缩像到原子面，主/副阵列交错。关键流程：

装载：碰撞阻塞限每阱一个原子，装载效率约 40%；并行运行时彼此的存在使对方原子数减少不足 5%；
超级填充：运输镊子把副阵列原子逐一插入主阵列缺陷（每次搬运两个 200 μs 强度斜坡、平均速度 16 μm/ms），随后关断副阵列；
运转：主阵列 32×32 位点定义 1,024 位点 QPU，装配目标结构最多 441 比特；50 轮连续装配（平均 126 ms/轮）对抗 10 s 原子驻留损耗与 89% 的阵内运输效率 Pause 2024。

6,100 比特高相干阵列（NA165）。铯-133 原子，11,998 位点光镊阵列装载超过 6,100 个原子；用远失谐镊子压低差分光移（超精细钟态 $∣ F = 3, m_{F} = 0 ⟩, ∣ F = 4, m_{F} = 0 ⟩$ ），阱深 $k_{B} \times 55 μ K$ 下 $T_{2} = 3.19 (5)$ s，降低阱深后配合 XY16 解耦达 $T_{2} = 12.6 (1)$ s（ $T_{2}^{*} = 14.0 (1)$ ms）。分区蓝图：可容纳 6,100+ 原子的存储区、500+ 原子的相互作用区与读出区，区间距约 500 μm。相干保持搬运由交叉 AOD 实现（对角移动把柱面透镜效应转为球面），610 μm 对角移动 1.6 ms、瞬时保真度 99.953(2)%（前约 30 次移动不衰减），195 个 AOD 镊子并行完成 SLM–AOD 阱间转移；全局单比特门经交错随机基准测得 99.81(3)% Manetsch 2025。

3,000 比特连续运行（NA167，摘要级）。两条光晶格传送带把原子库源输运进科学区，原子被反复提取到光镊中而不影响附近已存储量子比特的相干性；以 $3 \times 1 0^{5}$ 原子/秒的重装速率创造每秒 3 万以上初始化 qubit，装配并维持 3,000+ 原子阵列超过 2 小时；还能以自旋极化态或相干叠加态持续补入量子比特，同时保持已存储 qubit 的量子态 Chiu 2025。

光晶格库源的高保真成像（NA159，摘要级）。锶原子在”排斥型 Sisyphus”冷却下实现 99.971(1)% 成像保真度与 99.80(5)% 生存率；光晶格作为大镊阵（399 镊）的钉扎势，支持反复的晶格–镊–晶格转移；直接从 MOT 装载约 10,000 原子，在超过 10,000 个晶格格点上实现综合（生存+分类）优于 99.2% 的可扩展成像——作者明确将其定位为未来连续补给光镊阵列的”局域可寻址、可分拣库源” Tao 2024。

从脉冲运行到连续运行。脉冲式架构的循环周期被”装载–冷却–成像–重排–执行”的串行流程限定，原子损失又把单次装载的可用时长压在真空寿命量级：阵列越大、重排与读出越慢，脉冲模式的开销占比越高。NA167 的架构把库源与科学区分开，让补给与计算并行：库源原子随传送带进入科学区、被反复提取进光镊，而存储量子比特的相干性不受扰动；补入的量子比特既可以是自旋极化态、也可以直接是相干叠加态，意味着重装可以插入电路中间而不断失相干 Chiu 2025。

这对纠错的意义是直接的：纠错要求以高循环率反复测量稳定子（见三比特门容错稳定子测量），而脉冲式运行中”每秒能初始化多少个高质量比特”恰恰是循环率的上界之一。每秒 3 万以上的初始化速率把这个约束从”装载与重排”转移到”门与读出”本身；NA163 的 50 轮连续装配（126 ms/轮）则在镊阵内部演示了同一思想的低速版本 Pause 2024 Chiu 2025。

走向数万物理比特。把三条路线的指标拼在一起看：多 MLA 并行提供”阱数随光源数线性增长”的扩容律，6,100 比特阵列证明规模与相干/寿命/探测可以同时不劣化，连续运行解决循环率与维持时间。NA165 的作者据此判断：这些结果与近期其他进展一起，意味着数千到数万物理比特的通用量子计算与量子纠错”可能是近期的前景” Manetsch 2025。剩余的工程问题集中在相互作用区的大视场里德堡激发与更大规模的搬运调度（见分区架构与原子搬运与相干输运）Manetsch 2025。

11,998 位点单次拍摄图像与 6,100+ 原子装载统计、相干时间/寿命/成像生存率汇总（图源：Manetsch 2025 Fig. 1）

双 MLA 交错光路与超级填充流程：副阵列向主阵列缺陷插入原子（图源：Pause 2024 Fig. 1）

参数与量级

量	数值	来源
多 MLA 交错阵列	平均 1,167(45) 原子，最多 1,305；1,024 位点 QPU	Pause 2024
超级填充	插入效率 78%；50% 装载下预测无缺陷填充 89%	Pause 2024
单原子探测保真度	99.8(2)%（NA163）；成像生存 99.98952(1)%（NA165）	Pause 2024 Manetsch 2025
最大静态阵列	11,998 位点、6,100+ 铯原子	Manetsch 2025
相干时间	$T_{2} = 12.6 (1)$ s（XY16）； $T_{2}^{*} = 14.0 (1)$ ms	Manetsch 2025
真空寿命	$τ = 22.9 (1)$ min（脉冲 PGC，室温）	Manetsch 2025
相干搬运	610 μm / 1.6 ms，瞬时保真度 99.953(2)%	Manetsch 2025
连续运行	3,000+ 原子 $> 2$ h；重装 $3 \times 1 0^{5}$ 原子/s； $> 3 \times 1 0^{4}$ 初始化 qubit/s	Chiu 2025
光晶格库源成像	99.971(1)% 保真度、99.80(5)% 生存率； $> 1 0^{4}$ 格点 $> 99.2%$	Tao 2024

与其他概念的关系

无缺陷结构的装配依赖原子装配无缺陷阵列与原子重排与连续运行：本文的库源—补给架构是它们从”一次装配”走向”连续运行”的延伸。
6,100 比特的分区蓝图（存储/纠缠/读出）直接对接分区架构与原子搬运与相干输运；大阵列上的逻辑级控制见逻辑量子处理器。
寿命、装载率与探测保真度的极限来自原子损失与容损失架构讨论的损失机制；成像—探测的物理基础见光镊阵列与魔强度陷阱。
平台级的规模与指标纵览见中性原子量子计算硬件全景；这些阵列支撑的中电路读出见中电路测量与非破坏读出，跨模块扩展路线见模块化互联。
连续运行提高循环率后，纠错实验的译码吞吐压力转移到Stim 稳定子模拟与探测器错误模型与Sparse Blossom 最小权匹配等经典侧工具上。
千比特规模下并行执行的原生门与浅读出电路（三比特门容错稳定子测量）相配合，决定单位时间能产出多少”合格”稳定子轮次；模块间扩展则交给模块化互联。

参考文献

L. Pause, L. Sturm, M. Mittenbühler, S. Amann, T. Preuschoff, D. Schäffner, M. Schlosser, G. Birkl, “Supercharged two-dimensional tweezer array with more than 1000 atomic qubits”, Optica (2024). NA163 · arXiv:2310.09191 · DOI 10.1364/OPTICA.513551
H. J. Manetsch, G. Nomura, E. Bataille, X. Lv, K. H. Leung, M. Endres, “A tweezer array with 6,100 highly coherent atomic qubits”, Nature (2025). NA165 · arXiv:2403.12021 · DOI 10.1038/s41586-025-09641-4
N.-C. Chiu, E. C. Trapp, J. Guo, M. H. Abobeih, et al., “Continuous operation of a coherent 3,000-qubit system”, Nature (2025). NA167 · DOI 10.1038/s41586-025-09596-6（本词条仅使用摘要级内容）
R. Tao, M. Ammenwerth, F. Gyger, I. Bloch, et al., “High-Fidelity Detection of Large-Scale Atom Arrays in an Optical Lattice”, Phys. Rev. Lett. 133, 013401 (2024). NA159 · DOI 10.1103/PhysRevLett.133.013401（本词条仅使用摘要级内容）

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