昨天，2026年4月8日，苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）的研究人员Yann Kiefer, Zijie Zhu, Lars Fischer, Samuel Jele, Marius Gächter, Giacomo Bisson,Konrad Viebahn和Tilman Esslinger，利用中性原子量子比特实现了超高稳定性的量子逻辑运算，研究成果发表于《Nature》。这类被称为量子门的运算基于几何相位构建，因此对实验噪声具备极强的鲁棒性，未来可直接应用于量子计算机。

构建量子计算机所需的量子比特（qubit）有多种技术路线。近年来，众多科研机构与企业主要聚焦于超导电路与囚禁离子。

不过，利用激光囚禁的中性原子同样优势显著：由于不带电荷，它们受外界干扰更小。此外，激光囚禁技术可在单一系统中轻松实现数千个量子比特，而这在超导或离子体系中难度极大。

尽管如此，中性原子也存在自身短板。在量子计算机中，量子比特以0 和 1 的叠加态存在。要利用它们进行计算，就必须执行量子逻辑操作，也就是量子门。

迄今为止，这类量子门大多依赖高激发电子态（里德堡原子）、原子间碰撞，或是量子隧穿效应实现。

然而，量子隧穿效应—— 即粒子能够穿过经典物理无法逾越的障碍 —— 对激光强度极为敏感。因此，即便极其微小的缺陷或波动，也会显著降低量子门的运算质量。

对实验噪声具备极强的抗干扰能力

由苏黎世联邦理工学院量子电子学研究所蒂尔曼・埃斯林格（Tilman Esslinger）教授领衔的研究团队，如今仅借助几何相位，就成功实现了超高保真度的交换门（量子交换操作）。

这种几何相位会让粒子的量子态随其演化路径发生切换，而非受外界扰动影响。这使得整个系统对实验噪声具备极强的鲁棒性。

此外，研究人员还证实，该量子门可同时作用于数千个量子比特。这项成果发表于顶级学术期刊《Nature》，为中性原子量子计算机的未来发展铺平了道路。

图 1 | 通过填充量子比特双子态实现的双量子比特门

基于抽象相位的量子交换

交换门可以实现两个量子比特的量子态互换。例如，若初始时量子比特 A 处于态 0、量子比特 B 处于态 1，执行交换门后，A 将变为态 1，B 则变为态 0。在大型量子计算机中，交换门对量子信息的路由传输至关重要。

图 2 | 几何型交换门的实验验证

博士后扬・基弗（Yann Kiefer）表示：“几年前，研究人员已利用基态中性原子实现了这类量子门，但当时依赖的是由隧穿效应与原子碰撞产生的动力学相位。”

动力学相位产生于粒子在空间中运动或彼此相互作用的过程，它决定了粒子量子力学波函数的振荡状态，进而影响粒子出现在特定量子态上的概率。

与之不同，几何相位更为抽象。例如，当电子自旋的方向发生改变时，就会产生几何相位：自旋旋转 360 度后，虽然指向回到原位，但其波函数的相位却会发生 180 度的翻转。

埃斯林格团队以类似的方式，成功实现了交换门。为此，他们将超冷钾原子囚禁在光晶格中 —— 光晶格就像一种由光构成的人工晶体，能把原子固定在特定位置。通过精巧调控激光束，研究人员让以自旋态作为量子比特的原子对彼此靠近，直至它们的波函数在空间中发生交叠。

适配 17000 个量子比特的高鲁棒性量子门

由于实验所用的钾原子属于费米子—— 根据量子力学定律，费米子无法处于完全相同的量子态 —— 这种调控方式会直接产生几何相位。

该实验的青年课题组负责人康拉德・维巴赫（Konrad Viebahn）解释道：“与动力学相位不同，这种几何相位在很大程度上不依赖我们操控原子的速度，也不受过程中激光强度波动的显著影响。”

图 3 | 几何型交换门的保真度与鲁棒性

最终，团队实现了超高鲁棒性的交换门：它能在1 毫秒内以99.91% 的保真度完成两个量子比特的态交换，并且可同时作用于 17000 对量子比特。

蒂尔曼・埃斯林格表示：“我们现在能用中性原子实现大量交换门，但要造出可实用的量子计算机，显然还需要其他关键技术。”

他指出，下一步的研究方向之一是将交换门与量子气体显微镜结合，从而实现对单个量子比特对的观测与选择性操控，让交换门仅作用于指定量子比特。

图 4 | 直接交换机制下基于动力学相位实现的纠缠门

此外，研究团队已证实，通过引入原子间碰撞，可实现 “半交换门”。这类门能让量子比特产生量子力学纠缠，而纠缠正是执行量子算法的必要前提。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-026-10285-1