量子コンピューター実現に向けた中性原子アレイ技術を強化(A Next Step Towards a Quantum Computer)

2026-01-14 コロンビア大学

コロンビア大学の研究者らは、中性原子アレイが量子計算の有力な新プラットフォームとして急速に台頭していることを紹介した。中性原子量子計算では、レーザーで原子を光学トラップに整列させ、原子同士の相互作用を精密に制御することで量子ビットとして利用する。この方式は、超伝導量子ビットなど既存手法に比べ、大規模化しやすく、配置の自由度が高いという利点を持つ。コロンビア大学の研究では、原子配列の再構成や高忠実度ゲート操作、誤り抑制技術が進展し、実用的な量子計算への道筋が明確になりつつあることが示された。中性原子アレイは量子シミュレーションにも適しており、物性物理や化学反応の理解を深める強力なツールとなる可能性がある。これらの成果は、将来の汎用量子コンピュータ実現に向けた重要なステップと位置づけられている。

量子コンピューター実現に向けた中性原子アレイ技術を強化(A Next Step Towards a Quantum Computer)
Top: Schematic of how a metasurface shapes a single beam of light into multiple tightly focused beams in a single step. These beams form a series of optical tweezers to trap individual atoms into arrays with arbitrary geometry. Bottom: A metasurface compared to a penny. Credit: Will and Yu labs, Columbia University

<関連情報>

メタ表面光ピンセットアレイにおける単一原子の捕捉 Trapping of single atoms in metasurface optical tweezer arrays

Aaron Holman,Yuan Xu,Ximo Sun,Jiahao Wu,Mingxuan Wang,Zezheng Zhu,Bojeong Seo,Nanfang Yu & Sebastian Will
Nature  Published:14 January 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41586-025-09961-5

Abstract

Optical tweezer arrays have emerged as a key experimental platform1,2 for quantum computation3,4, quantum simulation5,6 and quantum metrology7,8, enabling unprecedented levels of control over single atoms and molecules. The ability to scale such arrays has become a defining challenge. Typically, optical tweezer arrays are generated using acousto-optic deflectors or liquid-crystal spatial light modulators. Fundamental limitations in optical resolution have constrained array sizes to about 10,000 traps9. Metasurfaces10,11, planar photonic devices comprising millions of subwavelength pixels, provide an intriguing alternative for the generation of optical tweezer arrays12. Here we demonstrate the trapping of single strontium atoms in optical tweezer arrays generated via holographic metasurfaces. We realize two-dimensional arrays with more than 100 single atoms, arranged in arbitrary geometries with trap spacings as small as 1.5 μm. The arrays have a high uniformity in terms of trap depth, trap frequency and positional accuracy, rivalling or surpassing existing approaches. This is enabled by highly efficient holographic metasurfaces fabricated from high-refractive-index materials, silicon-rich silicon nitride and titanium dioxide. Through analytical and numerical methods, we find that the subwavelength pixel sizes of these metasurfaces allow scaling of tweezer arrays far beyond current capabilities. As a demonstration, we realize an optical tweezer array with 360,000 traps. These advances overcome a critical barrier to realizing scalable neutral-atom quantum technologies.

1601コンピュータ工学
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