Quantum Fuse是一个以可及成本与开源理念发起的实验与理论探索项目,目标是在实验室条件下实现一个两量子比特(two-qubit)量子计算原型。项目最初围绕合成石英晶体的量子化机械振动作为"机械"量子比特进行研究,采用ESP32微控制器、绿光激光二极管与AD9850/AD9851 DDS频率合成器进行初步控制与驱动。随着技术演进,团队引入FPGA(iCE40UP5K-B-EVN)承担高时序精度控制,同时保留ESP32作为用户接口与低速外设管理。2025年11月的策略更新将项目重点向与中性原子的光镊子阵列混合的光机耦合方案转向,旨在利用室温可操作的中性原子光镊子实现更可扩展、低成本的量子接口,而将低温ADR冷却方案列入历史记录以备未来需要。 对于搜索"量子计算""双量子比特""石英力学量子比特""光镊子""FPGA控制"等关键词的读者,了解Quantum Fuse的科学假设、实验设计与可实现路径至关重要。项目的核心假设之一是合成石英晶体中存在可被激发的、高品质因子的机械共振模,这些模可以在适当条件下表现出量子相干特性并作为量子信息的"信使"或存储节点。
通过精密的频率合成(AD985x DDS)、激光驱动与光学读出,项目希望实现机械模与其他量子系统之间的可控耦合,进而完成两个量子比特之间的门操作与纠缠。 Q-Resonator概念是Quantum Fuse的理论与实验枢纽。Q-Resonator试图把合成石英的声学或压电模与外部驱动和测量电路耦合起来,从而在宏观固体谐振器上研究可控量子态制备与读出。FPGA用于生成高精度、低抖动的调制信号(例如用于光镊子陷阱的深度调制或机械驱动的相位控制),而DDS模块则提供10 Hz到10 MHz范围内的频率脉冲,用于直接激励或校准机械共振。ESP32负责运行Web界面、远程控制、数据记录与低速外设读写,这种FPGA-ESP32混合架构兼顾了实时性与易用性。 在2025年11月的规划更新后,Quantum Fuse明确提出与大型光镊子研究的协同道路。
受中性原子光镊子阵列在室温下实现高相干时间与高保真成像的突破启发,项目决定用远离共振的1064 nm红外激光替代绿光二极管,用于形成低退相干的光学陷阱。FPGA驱动的PWM用于动态调节陷阱深度并与石英振动频率同步,期望通过共享安装底座或机械耦合结构,使石英的量子化振动模充当"信使"模式,将微小的机械位移转化为被困原子的多普勒侧带或荧光频谱变化,从而实现读出与整数量子比特间的相互作用。该混合策略旨在实现室温或近室温条件下的可扩展接口,避免复杂昂贵的低温制冷体系。 实验路线图包括若干关键里程碑。短期目标是演示单点光镊子捕获少量原子并进行高保真成像,验证1064 nm陷阱与FPGA调制的稳定性;中期目标是将石英机械振动的10 Hz至数MHz脉冲影响映射到原子荧光或散射光谱的侧带,从而实现跨体系耦合的可检测信号;长期目标是在FPGA精确时间序列控制下完成两量子比特逻辑门的演示,利用机械模作为中介实现受控相位或交换交互。项目保守地规划了阶段性时间表和可测试指标,以便逐步降低风险并积累可复现的数据。
测量体系与信号处理是Quantum Fuse成败的关键之一。团队设计了基于干涉仪(Michelson型)与相机成像的测量系统,用于高灵敏度地检测由机械振动或原子散射光引起的相位与强度变化。为克服环境噪声与散射信号微弱的现实问题,项目结合了机器学习去噪与频域分析技术,将摄像头图像、光电探测器与ADF采样数据融合,从而提高信号检出灵敏度与重构精度。特别是在原子荧光侧带检测场景中,ML去噪可以在低信噪比下提取出由振动耦合引起的频谱特征,辅助判定耦合强度与相位关系。 项目的硬件栈体现了"可及、可复制"的工程取向。早期测试使用ESP32-S3运行的Web服务器控制AD985x DDS模块,便于通过浏览器进行频率、幅度与时序配置。
随后引入iCE40UP5K-B-EVN小型FPGA,用于实现高带宽的PWM输出、精确相位调制与陷阱深度同步等功能。FPGA在实时控制与多通道同步方面具备显著优势,而ESP32作为高层接口与日志管理器降低了使用门槛。团队同时保留了用于机械激励的压电驱动电路、捕获与成像光学系统、以及用于温度与振动监测的传感器网络。开源固件代码与文档被托管在公共仓库,方便社区贡献与复现。 Historically, 项目曾规划使用绝对零度附近的环境通过绝热去磁制冷(ADR)来抑制热噪声,实现石英机械量子态更长的相干时间。该方案涉及盐丸、强磁体、超导热开关与液氦预冷等复杂装置,成本与维护门槛较高。
受光镊子阵列在室温条件下实现优异相干性能的启发,团队将ADR方案列为后备方案,先行推进室温或温和条件下的光机耦合研究,以大幅降低实验成本并加速迭代。这样的策略调整显示出对当前中性原子实验进展的实际响应,并使项目更容易吸引业余与开源社区参与。 在实现两量子比特逻辑时,量子态制备、相干时间与噪声控制是三大挑战。对于机械量子比特,热占有数、材料耗散与环境声学耦合会极大影响相干时间。对中性原子而言,光学陷阱导致的光散斑、激光相位噪声与背景气体碰撞会限制寿命。Quantum Fuse的混合方案试图通过几方面降低挑战:使用远离共振的1064 nm光束减小光诱导退相干,采用高Q石英谐振器与机械阻尼隔离来延长机械模寿命,利用FPGA同步控制减少控制噪声,并通过ML后处理提高读出保真度。
尽管如此,实现可重复的两量子比特门仍需在耦合强度、噪声预算与门速率之间取得平衡。 对外合作与社区参与是Quantum Fuse的重要组成部分。项目鼓励电子工程师、光学工程师、固体物理研究者与软件开发者贡献设计、固件与数据分析算法。开源仓库包含AD985x Web控制固件、FPGA控制示例,以及测量与去噪代码的雏形。对学术或业余实验室而言,一个可复制的低成本方案和详尽的文档能够显著降低入门门槛,从而推动更多小规模原型的并行验证。 在成本与安全性方面,策略上的转向带来明显优势。
放弃液氦预冷与复杂的ADR系统可节约数千美元与运维资源,使得整套设备在约1500美元级别即可搭建原型。同时,光学陷阱与高功率激光使用需严格遵守实验室激光安全规范,光学元件的热管理与激光束封闭也必须到位。压电驱动与高电压部分要采取适当的电气绝缘和接地措施以保障人员安全。 未来展望中,Quantum Fuse既关注近期可实现的双量子比特演示,也将目光投向更广的可扩展性。若石英机械模与中性原子之间的耦合被成功验证,这种"光机混合"架构将为多模量子网络与跨物理体系的量子接口提供有趣的可能性。通过 FPGA 实现的高密度时序控制可以扩展到多陷阱操控,从而支持更多比特的同时操作。
社区驱动的优化在材料选择、谐振器设计、调制协议与ML去噪方法上都可能带来突破性改进。 要想参与或复现Quantum Fuse的工作,建议从理解Q-Resonator的物理假设开始,对石英谐振器的模态结构与品质因子进行建模,并在低成本硬件上验证频率合成与读出方案。逐步扩展到光学陷阱建立、荧光成像与侧带频谱分析,最终实现与机械模的耦合实验。社区贡献的关键在于共享实验数据、控制固件、FPGA逻辑与去噪模型,以便其他团队能够在不同环境中验证关键结论。 总之,Quantum Fuse代表了一种务实而富有创意的路线:通过将合成石英的量子化机械模与中性原子的光学陷阱相结合,并借助FPGA与ESP32的混合控制架构,实现低成本、可复现的双量子比特原型。该项目的价值不仅在于单一实验结果,更在于构建一个开放的社区平台,让更多研究者和工程师参与到探索可及量子器件的过程中。
尽管通向稳健量子门的路途仍然充满挑战,但通过分阶段验证、开源协作与跨学科整合,Quantum Fuse为小型实验室参与量子硬件开发提供了一条现实可行的路径。 参考资源与进一步阅读可在项目开源仓库中找到,其中包含AD985x Web Server代码、FPGA-ESP32混合固件样例、测量与ML去噪的初步框架,以及关于ADR冷却的历史记录文档。欢迎感兴趣的团队与个人加入讨论与贡献,共同推进石英力学量子比特与光机混合体系的研究进展。 。
