美國科學家最近開發出一種新型的「光學腔」，能高效收集單光子，這是光的基本粒子，來自單個原子。這些原子作為量子計算機的基本單位，負責存儲量子位（qubits），即正常計算機中的零和一的量子版本。這項研究首次實現了同時處理所有量子位的能力。
斯坦福大學的研究團隊描述了一個包含 40 個腔體的陣列，每個腔體都包含一個單獨的原子量子位，還有一個原型裝置則擁有超過 500 個腔體。研究結果顯示，這條路徑最終可以實現一個百萬量子位的量子計算機網絡。科學家指出，光學腔是在兩個或更多反射表面之間形成的，這使得光能夠來回反射，就像人在遊樂場的鏡子之間看到無數重複的影像。
這些光學腔的尺寸要小得多，利用激光束的多次反射來從原子中獲取更多的視覺信息。研究人員已經對光學腔進行了數十年的實驗，試圖使光能夠反射足夠多次以與微小的、幾乎透明的原子互動。斯坦福大學物理學和應用物理學的副教授兼研究的首席作者 Jon Simon 表示，「若要建造量子計算機，我們需要能夠非常快速地讀取量子位中的信息。」迄今為止，由於原子不能快速發出光，且光的發射方向也隨機，因此在規模上並沒有實用的方法來解決這個問題。
光學腔能有效指導發射的光朝特定方向，現在研究團隊已經找到方法，為量子計算機中的每個原子配備自己的獨立腔體。研究團隊採用了一種不同的方法，使用微透鏡來使每個腔內的光更緊密地聚焦於單個原子。根據新聞稿，這樣可以減少光的反射次數，但仍能更有效地從原子中獲取量子信息。
研究的首席作者 Adam Shaw 表示，「我們開發了一種新型腔體架構，不再僅僅是兩面鏡子。」他們希望這樣能夠建造出更快的分佈式量子計算機，並使其之間的數據傳輸速率大幅提升。這項研究發佈於《自然》期刊，介紹了一種腔體陣列顯微鏡的實驗平台，在這個平台上，每個原子都與其獨立腔體強耦合，形成了一個超過 40 模式的二維陣列。
這種方法不需要納米光子元件，而是使用自由空間腔幾何結構，配合腔內透鏡，實現了超出單位的峰值耦合度，並保持原子遠離介電表面。研究表明，實現了均勻的原子-腔體耦合，並展示了在毫秒時間尺度上的快速、非破壞性並行讀出，包括通過光纖陣列作為網絡應用的原理驗證。研究人員提到，未來將實現這個平台的下一代版本，具有超過 500 個腔體和近 10 倍的改善效果。
