中性原子量子计算的二维光镊只能在平面内移动原子，重排、纠缠和读取受限。荷兰Eindhoven理工大学用商用AOD搭出双通AOL，通过变焦实现三维光镊离面穿梭。论文指出，孔径越大，Z轴调焦行程越大；G&H AODF 4085正是此类大孔径器件。
2025 年，加州理工学院在Nature上报道了6100个高相干中性原子比特组成的光镊阵列，引发广泛关注。但阵列越大，需要搬原子的操作就越多，任意两个比特之间的纠缠门、计算中途的测量、无碰撞的重排都属于这一类，而为了减少串扰，阵列的原子间又不能排列的过于紧密，需要留出原子的“过道”，这就是二维AOD光镊阵列的限制。
于是有团队把目光从平面内挪到了平面外：如果光镊能沿光轴把原子“提起来”，这些操作就有了新的走法。荷兰Eindhoven理工大学的Guo等人用商用AOD搭出一套双通声光透镜（acousto-optic lens，AOL），在不改动器件的条件下实现了沿光轴的动态调焦，使原子离面穿梭成为可能。
论文把平面内原子输运的限制归纳为三个方面，而这正是引入三维输运的出发点。
第1是重排。无缺陷阵列的常规做法是随机装载、荧光成像定位，再用可移动光镊把原子重排到目标构型。在间距小于5µm的密集阵列中，光镊必须逐点移动并避开已被占据的格点，重排算法因此需要额外的优化。
第2是纠缠门。任意两比特之间的纠缠依赖相干输运，对光镊间距提出要求；而加大间距要么需要额外的手段扩展阵列，要么减少可用的格点数量，同时原子输运距离变长还会降低原子存活率。
第3是成像。已有工作通常把装载区与成像区分开，以避免成像光子散射到其它原子上，代价是更长的搬运距离。
上图(a)是AOL的示意图，光路并不复杂，两组交叉AOD分工不同。位于右侧那组AOD负责横向移动，完成X-Y平面的偏转，这是常规的正交AOD用法。而左侧那组AOD则是我们这篇论文的重点，用于实现调焦，即第三个维度的移动。图(b)展示了原子离开静态光镊焦平面后再进行平移的过程，从而实现完整的三维穿梭。下面我们具体看看AOL的光路部分：
激光先经BS反射，穿过交叉AOD（X、Y两路由两个任意波形发生器驱动），再由透镜F和平面镜回射，第二次通过AOD后从BS输出。
调焦来自两次通过的叠加。当AWG提供的射频信号扫频时，两个正交声光晶体各形成一维柱面透镜。而通过平面镜反射二次通过AOD后，偏转方向相反、相互抵消，但透镜的相位曲率不会抵消，两次通过后叠加，焦移加倍。光束在不发生横向偏转的同时，焦点沿光轴移动。
回射光经可选的缩束镜组MS，匹配AOD孔径与聚焦透镜（物镜）之间的光束尺寸，zui终实现总焦距偏移量δ。论文特别提到，选择孔径更大的AOD，可以增强这种偏移量，因为孔径越大，允许的缩束越强，焦移越大，光镊第三个维度的行程也越大。
针对之前的三个场景问题，论文给出了三维光镊升级后的回答：
重排：原子先被抬离静态平面，横向输运到目标位置后再落回阵列；由于上平面被定义为零啁啾基线，原子可以在平面外停留较长时间，多条重排路径因此可以并行执行。
纠缠门：把里德堡Rydberg相互作用区设在阵列正上方，原子越过阵列其余部分，在里德堡激发光所在平面完成门操作后返回；如果在横向AOD上同时驱动多个射频频率，还可以把一整片逻辑比特阵列同时抬升，这对量子纠错尤为有用。
成像：原子被移到独立的成像平面做荧光探测，只需15~20µm的垂直位移，同时给存储平面加一束屏蔽光，避免散射光子被剩余原子再吸收，从而实现局部、无串扰的读出。
柱面透镜效应：AOD光镊为什么“越快越容易掉原子”
在售前沟通中，客户经常向星朗浩宇提出同一组疑问：光镊输运速度一快，原子存活率就容易下降；原子输运距离一拉长，保真度就难维持；重排节奏稍快，原子温度也会升高。常见的第1反应是激光功率不够或光路没对准，但论文指出，更普遍的根因在AOD自身，也就是柱面透镜效应。
AOD的偏转角度由射频频率决定，频率改变，偏转角度随之改变，光镊的位置也就跟着移动。问题在于声波穿过光束需要若干微秒：当射频频率快速扫描时，光束前缘进入晶体时的频率与后缘进入时已不相同。同一束光的不同部分被偏转到不同角度，等效于在光路中引入一个柱面透镜：焦点偏离原平面，光斑由圆变椭圆，势阱随之畸变并变浅。移动越快，扫频越急，畸变越严重。论文的数值模拟给出一个直观判据：横向速度超过约1µm/µs时，势阱会分裂成两个。
因此，AOD光镊的原子输运速度上限往往由这个声光效应决定，而非电子学带宽。此前Caltech的6100原子工作中，用一对交叉AOD做对角线输运，把柱面透镜效应转化为球面透镜效应，输运速度因此快了不少，但焦点偏移的代价仍然存在。AOL的作用正在这里：它可以施加一个反向的补偿焦距，实时抵消畸变，使光镊在更高速度下仍保持完整阱形。
详见往期解读：
https://mp.weixin.qq.com/s/sOJv74zB9pxNe40tDwozAQ?scene=1&click_id=2116638667
从AA验证平台到G&H大孔径
在第1张光路图里，外壳红得发亮的那组AOD，是来自AA的DTSXY-400，跑通了AOL概念验证。红归红，作者并没有停在原地：讨论Z轴变焦行程还能怎么继续放大时，笔锋一转，点名了Gooch & Housego的AODF 4085，强调其大孔径，直接看我们划的重点 。道理我们前面也讲过：孔径越大，允许的缩束越强，焦移也越大。
G&H AODF 4085：为三维光镊准备的大孔径
Gooch & Housego AODF 4085是量子计算应用的大孔径声光偏转器：
| 参数 | AODF 4085 |
|---|---|
| 声光晶体 | TeO₂ |
| 声速 | 0.705 mm/µs |
| 波长范围 | 750-1064 nm |
| 有效孔径 | 直径 15 mm |
| 射频范围/扫描角（1064 nm） | 55-85 MHz / 45.3 mrad |
| 射频平坦度 | -2 dB |
| 衍射效率目标值 | 70% |
15mm孔径带来的差别体现在三个方面。
Z轴行程：按论文结论，在相同扫频条件下，孔径越大，可用的缩束越强，轴向调焦范围也越大。
光学分辨率：大孔径支持更细的聚焦光斑，可获得更陡的势阱梯度与更强的囚禁。
已有实际系统的验证：Caltech的6100原子阵列使用的正是AODF 4085，单轴覆盖500~600µm，610µm输运保真度99.95%。
需要说明的是，论文搭出了AOL实验装置，完成了静态和动态焦移的光学测量与数值模拟，但没有做原子输运实验：器件层面的变焦能力已经验证，原子沿三维路径的实际输运仍待验证。
星朗浩宇光电科技（上海）有限公司是Gooch & Housego在中国地区的授权代理商，提供AOD、AOM等声光器件的选型与技术支持。如对AOL架构、AODF 4085或其它声光应用有需求，欢迎通过电话、邮件或微信与我们联系，沟通选型与技术问题。
1. Z. Guo et al. Acousto-optic lens for 3D shuttling of atoms in a neutral atom quantum computer. arXiv:2510.09398 (2025).
2. H. J. Manetsch et al. A tweezer array with 6,100 highly coherent atomic qubits. Nature 647, 60-67 (2025).
3. Gooch & Housego, AODF 4085产品页与数据表。
4. 星朗浩宇：《量子计算610µm长程传输：解析6,100个原子阵列背后的G&H AOD》。
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