中性原子量子计算机 L1 基础设施总览（2026 版）¶

0. 时间阶段与层级/路线定位（新 & 层 & 线）¶

时间与产业阶段¶

时间范围：基于 2024–2026 年公开资料与产业进展（QuEra、Atom Computing、Pasqal、Infleqtion 等中性原子厂商，以及 Caltech 等实验室平台）。
行业所处阶段：
中性原子平台已从早期 NISQ 阶段，进入**大规模阵列（3000–6000+ 原子）+ 小规模纠错/逻辑比特演示**阶段[1][2][3]。
多家厂商和合作项目将 2025–2026 定位为实现**小型容错/逻辑比特系统**的关键时间点[1][3][4]。

在七层架构中的角色（明确“层”）¶

本文只覆盖**L1 基础设施与环境层**，对应的职责是：
向下（面向 L2 量子物理层）：
提供中性原子所需的超高真空环境、激光冷却与光学捕获空间、稳定的磁场和低振动机械支撑，使单个原子可以在光学镊子/光学晶格中长时间悬浮并保持相干。
向上（面向 L3 控制与互连层）：
提供高带宽的激光/光学通道、可扩展的控制电子学（DAC/FPGA 等）、以及模块化扩展与光学互连能力，为编译层与控制层提供“可布置、可重构”的物理 qubit 阵列。

物理路线限定与与其他路线对比（“线”）¶

限定路线：本文只讨论**中性原子（neutral atom）路线**，具体包括：
Rubidium、Cesium 等基于 Rydberg 激发的体系；
包括光学镊子阵列和光学晶格两类实现。
与其他主流物理路线在 L1 层的关键差异（只列核心）：

维度	中性原子	超导	离子阱
工作温度	室温 + 激光冷却（μK 级）	10–20 mK（稀释制冷机）	室温或 4K（真空 + 激光冷却）
关键基础设施	真空腔 + 激光/光学系统 + 控制机架	稀释制冷机 + 微波布线 + 屏蔽	XHV 真空 + 离子阱芯片 + 激光系统
互连拓扑	通过 Rydberg 相互作用近似全连接	固定芯片拓扑，需路由	通过集体振动模式近似全连接
功耗与能效	2–5 kW 量级，无极端制冷	10–20+ kW 量级，高能耗	3–4 kW 量级，无毫开尔文制冷

1. 真空系统：原子生存的“零干扰空间”（层）¶

中性原子量子计算的首要条件是让单个原子在接近完美真空中的光学势阱里长期悬浮不被背景气体“撞飞”，这完全属于 L1 的基础设施职责。

1.1 超高真空（XHV）指标与实现路径¶

典型工程指标（综合各平台公开信息与中性原子综述）[1][2][5][6]：

压力水平：约 10⁻¹² – 10⁻¹¹ mbar（超高真空 XHV 区间），接近深空真空；
真空获得方式：
组合 非蒸发吸气剂（NEG）+ 离子泵；
运行中 无机械运动部件，降低振动与维护复杂度[1][3][7]；
结构形式：
全金属真空腔（不锈钢/无氧铜），配多片光学窗口；
对于可量产系统，常采用 “真空包（vacuum package）” 概念：在工厂完成抽真空与封装，现场安装即用。

工程含义：

极低的残余气体碰撞概率 → 单个原子可以在势阱中存活**数十秒到分钟级**，为后续门操作和长电路运行提供前提[2][6]。
无机械泵运行 → 中性原子系统可以更容易放进**标准机柜/数据中心**环境，而不需要独立的重型真空/冷却基础设施[3][7]。

1.2 真空系统与上下层接口（桥）¶

L1 → L2：
交付一个：
- 足够低的碰撞率（决定原子寿命与重装频率）；
- 低杂散气体电荷与电场扰动（影响束缚势和相干性）的封闭空间。
L1 ↔ L3：
真空腔体需要预留高质量光学窗口与光纤/电缆穿透口：
- 为 L3 的激光、成像系统提供光路接口；
- 同时保持真空密封和热/振动隔离。

2. 原子捕获与 QPU 区域：光学镊子与阵列结构（层）¶

这一部分是“L1+L2 的交界处”：
- 电/光学结构属于 L1；
- 被束缚的具体原子与其能级结构属于 L2。

2.1 光学镊子（Optical Tweezers）与阵列¶

基于近年实验与综述[2][5][6][8]：

实现方式：
使用极度聚焦的激光束形成局域势阱（光学镊子），单个原子被困在每个势阱中心；
多束镊子阵列形成 1D/2D/3D qubit 阵列。
典型物理参数：
光束腰半径：约 1–3 μm；
势阱深度：约 1 mK（对应原子能量尺度）[5][8]；
原子间距：常见 5–10 μm，兼顾相互作用强度与光学可分辨性。
规模化进展：
Caltech 等团队实现 6100 原子光学镊子阵列（约 12,000 个势阱中加载 6,100 个原子）[2][6][8]；
持续运行数小时并维持高装载率，表明从 L1 角度已经具备**千比特级原子管理能力**。

2.2 原子重排与“量子 CCD”式调度（桥 & 用）¶

通过对光学镊子阵列进行空间重构（如使用空间光调制器 SLM 或可编程透镜阵列），可以：
先在大阵列中随机加载原子；
再通过**逐个移动镊子**把原子“搬运”到目标几何位置；
这一机制在逻辑上类似**QCCD（Quantum CCD）**：
为上层编译器提供了**可重构拓扑**；
允许在物理层实现“就近纠缠、远距搬运”的策略，为纠错和复杂算法提供布局自由度[2][6][8][9]。

3. 激光与光学系统：L1–L2–L3 的关键“桥”（桥）¶

几乎所有中性原子平台，都以庞大的激光与光学系统为 L1 主体之一[1][2][5][7][10]。

3.1 三大激光子系统（冷却/捕获·激发·读出）¶

冷却与捕获激光（Laser Cooling & Trapping）
功能：Doppler 冷却原子气体到 μK 级，并配合光学镊子形成束缚势；
要求：
- 频率/线宽稳定，高功率（W 级）、低噪声；
- 与真空腔和磁场结构高度协同[2][5][10]。
Rydberg 激发激光
功能：把原子从基态激发到 Rydberg 态，利用 Rydberg 阻塞效应实现两比特门[8][10]；
要求：
- 典型波长在紫外/可见范围（如 319 nm、420 nm 等，依原子种类而定）；
- 脉冲宽度可达 ns–μs 级，功率与频率稳定度直接影响门保真度[5][10]。
读出与成像激光
功能：通过荧光成像读出原子状态，实现 SPAM（State Preparation And Measurement）；
要求：
- 与成像光学系统（物镜+CCD/CMOS）配合，分辨相邻 qubit 的信号。

3.2 光学架构的工程演进（新）¶

从体光学到光子集成（PIC）：
多家厂商与研究项目正在将大部分激光调制/分束/路由迁移到 光子集成电路 上[1][5][7][10]：
减小体积（一个机柜内可集成多套 QPU 激光系统）；
降低功耗（与传统光学台相比可降 50–80%）；
提高长期稳定性和可制造性。
光纤化与模块化：
激光源与 QPU 真空腔通过单模/多模光纤连接；
在 L1 架构上形成**“激光机柜 + QPU 真空包 + 控制机柜”**的模块化布局，有利于数据中心式部署[3][7][10]。

4. 冷却与热管理：不靠稀释制冷的“低温”系统（层）¶

中性原子路线的一个核心优势是：不依赖稀释制冷机，而是通过激光冷却在室温环境下实现对原子运动自由度的有效“冷却”[1][5][10]。

4.1 激光冷却¶

冷却过程：
原子气体在真空腔内被磁光阱（MOT）与激光束组合减速；
Doppler 冷却将温度降至几十 μK；
进一步利用光学镊子等手段进行亚 Doppler 冷却，有效压制原子热运动[5][10]。
工程结果：
原子热运动对相干性的影响显著降低；
不需要大功率低温制冷设备，仅需处理激光与电子设备发热。

4.2 系统热管理与能耗（用）¶

主能耗来源：
多路高功率激光（冷却/镊子/读出）；
控制电子（FPGA/DAC）；
真空泵运行（若不是完全静态真空包）。
综合报道与厂商宣称表明：
中性原子系统可在**室温运行且低功耗**，整体功耗在 数千瓦 量级[1][3][7][10]；
与同规模超导系统相比，能耗小一个数量级，适合密集部署。

5. 环境隔离：振动与磁场噪声控制（桥）¶

5.1 振动隔离¶

激光束的位置与焦点与原子位置要在亚微米精度内保持稳定，振动是首要威胁：

源头：地面振动、建筑机房设备、冷却水循环等；
手段：
使用 被动减振平台（气浮台、弹性支撑）隔离低频振动；
对激光光路和成像系统使用刚性框架，提高系统固有频率；
对精度要求极高的部分，采用主动反馈（如快速镜片/压电调节）维持光斑稳定[2][5][8]。

5.2 磁场控制¶

中性原子能级对磁场敏感，磁场噪声导致能级漂移和脱相。
L1 层典型措施：
在真空腔外设置 μ-metal 屏蔽层，抑制地磁场和低频磁噪声；
在腔体附近布置**补偿线圈**，提供可调的静态磁场与梯度场；
结合 L2/L4 采用“时钟态”“dressed qubit”等技术进一步削弱对磁噪声的敏感度[5][6][10]。

6. 控制电子学与接口：从门序列到激光脉冲（桥）¶

虽然严格说控制逻辑属于 L3，但其**物理承载（机柜、电源、连接）**落在 L1。中性原子平台的控制电子与光学紧密绑定[1][3][5][7]。

6.1 关键电子组件¶

FPGA/SoC 控制板：
实时生成时序精确的控制脉冲；
延迟、抖动需控制在 ns–ps 级别。
DAC/ADC：
高速高分辨率 DAC 控制 AOM/EOM 的驱动波形（实现激光的幅度/频率/相位调制）；
ADC 用于采集探测器与传感器信号。
时钟与同步：
多模块系统需要共享**低抖动基准时钟**；
有的系统使用光纤分发时钟信号，实现多机柜同步。

6.2 层间“接口视角”¶

L3 → L1：
输入：编译后的门序列/模拟哈密顿量描述，转化为激光脉冲参数（时长、幅度、频率、目标qubit集合）。
L1 内部：
控制电子将这些高层指令转换为对 DAC、AOM/EOM 的具体波形控制；
联动真空腔体周边的光路、成像设备。
L1 → L2：
交付：
- 精确定时、定幅的光场作用到指定原子上；
- 保证磁场/振动环境在允许范围内，使 L2 的物理模型近似理想。

7. 模块化与扩展：从单机到“光互连集群”（线 & 桥）¶

大部分中性原子厂商都把“模块化扩展 + 光互连”作为核心路线[1][3][5][8][9]。

7.1 模块化 QPU 单元¶

典型模块包含：
一个真空包（含原子源、光学镊子区域）；
一组局部激光与光学路径（可部分共用主激光机柜）；
一组控制电子机架。
物理尺寸：单模块可压缩到**几十厘米至 1 米级**的机柜子单元[1][3][7]；
部署方式：一个标准 42U 机柜内可容纳多个模块，构成中性原子“量子机架”。

7.2 模块间的量子互连（桥 & 用）¶

光纤/自由空间光互连：
通过光学通道实现不同模块间原子的远程纠缠；
需要在 L1 预留稳定的光纤接口和空间对准机构[8][9]。
目标：
构建由多个中性原子 QPU 组成的 量子集群/量子网络，在架构上突破单腔体、单阵列的规模限制；
为未来“量子数据中心”提供物理基础。

8. L1 能力对上层算法与应用的意义（用）¶

站在“用”的角度，可以从几个关键 L1 指标回溯到上层可行性边界：

原子阵列规模（几百–几千）
→ 决定可并行参与计算的物理 qubit 数量；
→ 在全连接拓扑下，对组合优化（QAOA）、量子模拟（伊辛模型等）尤其友好[2][5][8]。
相干时间与门保真度
文献报告的相干时间可达 0.1–1 秒，单比特门保真度接近 99.9%，两比特门在 99.3–99.6% 区间[3][5][10]；
→ 支撑中等深度电路与多轮纠错。
能耗与部署形式
室温运行 + 无稀释制冷，使得单系统功耗控制在数千瓦量级；
→ 便于在传统数据中心环境中部署**多机集群**。
可重构拓扑与 Rydberg 相互作用
允许按需重排 qubit 阵列并选择性激发相互作用；
→ 在量子模拟和特定组合优化任务中，可大幅减轻编译层的路由负担[2][5][8][9]。

参考文献（References）¶

[1] Neutral Atom Quantum Computing: 2026's Big Leap. https://spectrum.ieee.org/neutral-atom-quantum-computing
[2] A tweezer array with 6100 highly coherent atomic qubits. https://www.nature.com/articles/s41586-025-09641-4
[3] Highly Scalable Quantum Computing with Neutral Atoms. https://atom-computing.com/wp-content/uploads/2025/01/Atom-Computing-Whitepaper-2025.pdf
[4] QuEra Computing Marks Record 2025 as the Year of Fault Tolerance…. https://www.quera.com/press-releases/quera-computing-marks-record-2025-as-the-year-of-fault-tolerance-and-over-230m-of-new-capital-to-accelerate-industrial-deployment
[5] Neutral-Atom Quantum Hardware. https://www.emergentmind.com/topics/neutral-atom-quantum-hardware
[6] Caltech's massive 6100-qubit array brings the quantum …. https://www.sciencedaily.com/releases/2025/09/250925025341.htm
[7] QuEra Quantum System Leverages Neutral Atoms To …. https://www.nextplatform.com/2025/06/20/quera-quantum-system-leverages-neutral-atoms-to-compute/
[8] Continuous operation of a coherent 3000-qubit system. https://www.nature.com/articles/s41586-025-09596-6
[9] A fiber array architecture for atom quantum computing. https://www.nature.com/articles/s41467-025-64738-8
[10] The Power of Neutral Atom Quantum Processors. https://www.pasqal.com/wp-content/uploads/2025/11/2509_Pasqal_Quantum-Computing-Processor_Brochure-RVB-V8.pdf