量子研究规模化：如何选择适合量子科技应用的物镜？

量子计算与量子精密测量正在从实验室的定制化探索，加速转向可扩展系统、多路并行实验平台及工程化架构。

在中性原子和冷原子系统中，物镜不仅承担成像任务，还需要参与原子捕获、操控、测量与反馈。因此，物镜的性能已经成为影响整个量子系统稳定性和实验效率的重要因素之一。

那么，对于量子应用而言，选择合适的物镜需要重点考虑哪些因素？

首先，我们需要了解，在中性原子和冷原子实验中，物镜承担着双向任务：

• 将激光精确送入真空腔体：物镜需要将多个波长的激光聚焦到原子区域，用于光镊和光学晶格中的原子捕获、原子阵列重新排列、量子比特的形成与操控。

• 收集原子发出的光：物镜同时需要高效收集原子发出的光，并将信号传输到高性能成像系统，用于实时测量和反馈。

因此，物镜实际上连接了量子系统中的原子操控与光学测量两个环节，其性能会直接影响原子控制精度和测量保真度。

其次，我们进入量子应用场景，讨论看看其中常见的一些要求：

• 多波长：同一物镜需要传输多个激光波长，并兼顾不同原子种类的实验需求。

• 高激光功率：随着原子阵列规模扩大，需要通过物镜传输更高的连续激光功率，这对材料、镀膜以及热稳定性提出了更高要求。

• 真空环境：物镜需要与真空腔体配合工作，镜筒材料、结构尺寸以及机械接口都可能影响整个实验系统。

• 系统复制与扩展：当实验需要从单套装置扩展到多个相似系统时，光学方案需要具备良好的重复性和可扩展性。

也就是说，常规的标准物镜即使在产品规格表上具有合适的 NA、波长范围和常规分辨率，也不一定意味着它能够胜任复杂的量子实验环境。

我们结合相关的应用案例，梳理了量子应用物镜需要关注的几个参数：

长期以来，由于光学参数的极端性，量子研究领域高度依赖向光学厂商进行单点定制。例如，Special Optics 在过去十多年中持续参与国际前沿的量子光学定制项目，与哈佛大学、麻省理工学院（MIT）以及马克斯·普朗克量子光学研究所（MPQ）等机构保持深度合作。

对于极端前沿的物理探索，定制光学依然不可或缺。但随着量子计算加速迈向多节点、规模化与工程化落地，实验室亟需摆脱“长周期、高成本、不可复现”的单点定制困境，转向性能成熟、供货稳定、具备良好一致性的平台化光学方案。

针对中性原子、冷原子及量子光学系统不断演进的工程需求，Special Optics 推出了 Q-Series™物镜系列。

Q-Series 并非通用显微物镜的简单改型，而是基于数百个真实量子光学定制项目的工程沉淀，将严苛的物理指标与量产化标准深度结合：

• 面向量子环境的材料设计：采用非干扰型镜筒材料，兼顾真空兼容性和系统稳定性。

• 多波长优化：支持不同原子种类以及不断变化的实验配置。

• 高 NA 性能：满足原子捕获、操控和高性能成像对光学性能的需求。

• 可扩展架构：经过验证的设计可以应用于多个实验和系统，减少重复设计。

• Off-the-Shelf 现货供应：在满足量子应用性能要求的同时缩短交付周期。

对于正在从实验验证走向更大规模系统的研究团队而言，这种方式可以减少光学系统重复设计所带来的时间成本，加快实验方案向规模化系统发展。

随着量子技术向多节点、规模化与工程化演进，物镜正成为连接底层量子物理硬件与上层集成系统的重要桥梁。其核心应用场景正持续拓展至：

• 光镊阵列与光学晶格原子捕获

• 量子门实现与量子比特操控

• 低温光学系统

• 量子纠缠与相干性研究

• 混合量子架构

在每一个追求极致保真度的量子系统中，物镜的物理表现都将直接映射为系统的最终性能。如果您正在进行中性原子、冷原子或量子光学相关系统的搭建与迭代，欢迎与我们联系，共同探讨适合您实验架构的光学选型方案。

文章转自Navitar官方微信公众号。