ETH Zurich 构建了一个横跨17,000个量子比特对的超稳定量子门

# 苏黎世联邦理工学院构建横跨17,000个量子比特对的超稳定量子门 来源：https://www.thebrighterside.news/post/eth-zurich-built-an-ultra-stable-quantum-gate-across-17000-qubit-pairs/ *量子计算仍在脆弱性中挣扎——微小的干扰就可能破坏计算。苏黎世联邦理工学院的研究人员利用中性原子构建了一种几何交换门，该门在17,000个量子比特对上保持非凡的稳定性，这为通往大规模量子机器提供了一条更稳固的路径。* 量子计算机有望解决甚至世界上最快的超级计算机也难以应付的问题。它们可以帮助研究人员设计新药、改进气候模型，并破解当今仍遥不可及的科学谜团。但一个顽固的问题仍在拖慢进展：量子系统非常脆弱。 即使是微小的干扰也能破坏一个量子计算。轻微的振动、激光强度的波动或杂散磁场都可能引入错误，并在整个系统中扩散。因此，构建可靠的量子硬件已成为现代物理学最大的挑战之一。 如今，苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich (https://ethz.ch/en.html)）的研究人员开发了一种新型量子门，这可能让科学家更接近大规模、容错的量子计算机。他们的工作展示了一种利用激光束捕获的中性原子实现的极其稳定的“交换门”。该系统在同时作用于 17,000 个量子比特对时，实现了 99.91% 的精度。 这一突破依赖于几何特性，而非精细的微调。这种转变可能使未来的量子计算机对噪声和不稳定性具有更强的抵抗力。 在交换门中，相邻量子比特的状态（蓝色和米色）被交换。这些量子比特由被激光形成的人工晶体捕获的冷原子构成。（图片来源：Mika Blackmore-Esslinger / ETH Zurich） ### 中性原子为何重要 量子计算机依赖量子比特（qubits）。与普通计算机比特只能表示 0 或 1 不同，量子比特可以同时处于两种状态的叠加态。这种奇特的特性让量子机器能够以截然不同的方式处理信息。 研究人员探索过多种量子比特，包括超导电路和捕获离子。近年来，中性原子已成为另一个有前景的选择。 中性原子不带电荷，因此对外界干扰不太敏感。科学家还可以利用排列成称为光学晶格图案的激光来捕获数千个原子。这些晶格就像完全由光组成的人工晶体。 这种可扩展性提供了一个主要优势：虽然某些量子系统难以控制数百个量子比特，但中性原子系统已经能够管理成千上万个。 尽管如此，这些系统仍面临自身的技术障碍。要执行有用的计算，量子比特必须通过称为量子门的操作进行交互。许多早期的中性原子门依赖于隧穿效应或称为里德堡态的高激发原子态。这些方法通常需要极其精确的控制，因为微小的缺陷会迅速降低精度。 ### 构建量子门的另一种方式 苏黎世联邦理工学院的团队采取了一种截然不同的方法。他们不主要依赖于脆弱的动力学效应，而是使用了一种称为几何相位的东西。 “几年前，研究人员设法利用中性原子 (https://www.thebrighterside.news/post/oxford-scientists-achieve-quantum-gate-teleportation-between-two-quantum-supercomputers/) 在其最低能态下实现了这类门，尽管是通过利用隧穿和碰撞产生的动力学相位，”博士后 Yann Kiefer 说道。 通过填充量子比特双占位态实现的双量子比特门。（图片来源：Nature） 动力学相位强烈依赖于时序、运动和相互作用强度。因此，微小的波动可能引入较大的误差。几何相位则表现不同。它们主要取决于量子系统所遵循的整体路径，而非其移动速度的精确细节。 这种区别赋予了几何系统一种天然的抵抗噪声的能力。 为了创建新门，研究人员将钾原子冷却到极低温度，并将其捕获在光学晶格 (https://www.thebrighterside.news/post/scientists-just-pulled-off-the-impossible-by-bending-atoms/) 内。随后，他们操纵激光束，使原子对足够接近，以至于它们的量子波函数发生重叠。 实验中使用的原子是费米子，这类粒子遵守特殊的量子规则，禁止它们占据完全相同的状态。这一性质产生了一个几何相位，使得量子比特能够以非凡的稳定性交换状态。 ### 理解交换门 交换门执行一个简单但重要的任务：它交换两个量子比特的状态。 如果量子比特 A 从状态 0 开始，量子比特 B 从状态 1 开始，交换门会反转它们。操作完成后，量子比特 A 变成 1，量子比特 B 变成 0。 这些门对于在大规模处理器中移动量子信息至关重要。在未来的量子计算机中，信息可能需要穿越拥挤的量子比特阵列长途传输。可靠的交换门有助于实现这一点。 在苏黎世联邦理工学院的实验中，研究人员利用一个涉及临时“双占位态”（doublon）的几何过程 (https://www.thebrighterside.news/post/146000-year-old-tools-suggest-human-ingenuity-thrived-during-the-ice-age/) 创建了交换门。当两个原子短暂占据同一个轨道态时，就会形成双占位态。 几何 SWAP 门的实验演示。（图片来源：Nature） 早期的实验往往将双占位态视为不需要的泄漏态。在这里，团队有意利用了它们。通过引导原子经过精心设计的量子路径，他们产生了一个纯粹取决于几何的相移。 “与动力学相位不同，这种几何相位在很大程度上独立于我们操纵原子的速度，或激光强度 (https://www.thebrighterside.news/post/new-vacuum-ultraviolet-laser-is-100-to-1000-times-more-efficient-than-existing-tech/) 在该过程中的波动程度，”该实验的青年课题组组长 Konrad Viebahn 解释道。 ### 在数千个量子比特上实现高精度 研究人员使用超过 58,000 个钾-40 原子对系统进行了测试。约 60% 至 70% 形成了可用的量子比特对，团队同时拥有超过 17,000 个运行中的量子比特对。 该门在不到一毫秒的时间内完成了操作。测量结果显示校正保真度为 99.91%，意味着该门以极高的可靠性产生正确结果。 为了验证系统，团队研究了量子单重态和三重态之间的振荡。施加交换门后，他们观察到预期的相移，而振荡强度没有损失。这证实了该门的行为完全符合预期。 团队还测试了系统抵抗噪声的能力。他们故意向晶格势中引入波动 (https://www.thebrighterside.news/post/new-material-stores-four-magnetic-states-per-cell-exponentially-increasing-memory-storage/)，并测量了由此产生的性能。 即使加入了显著的隧穿噪声，该门仍保持稳定。只有当噪声超过某些阈值后，精度才开始急剧下降。 这种鲁棒性很重要，因为噪声仍然是量子计算中最大的障碍之一。一个自然抵抗干扰的门可以大幅降低未来纠错的需求。 几何 SWAP 门的保真度与鲁棒性。（图片来源：Nature） ### 超越简单交换 研究人员并未停留在普通的交换操作上。他们还通过引入受控的原子间碰撞 (https://www.thebrighterside.news/post/physicists-build-a-quantum-newtons-cradle-where-energy-flows-without-resistance/) 演示了“半交换”门。 这些操作产生量子纠缠，这是量子计算中最宝贵的资源之一。纠缠的量子比特变得紧密联系，使得对一个量子比特的改变可以瞬间影响整个系统中的另一个量子比特。 如果没有纠缠，量子算法就无法超越经典算法。 团队证明，这些纠缠操作也保持了高保真度。在某些情况下，它们显著优于基于超交换相互作用的可比方法。 “我们现在可以用中性原子制造大量交换门，”Tilman Esslinger 说道。“但当然，我们还需要一些其他成分来构建一个可工作的量子计算机 (https://www.thebrighterside.news/post/device-smaller-than-a-grain-of-dust-looks-to-supercharge-quantum-computers/)。 ” ### 接下来是什么 研究人员认为，下一个重要步骤是将交换门与量子气体显微镜结合起来。这种显微镜允许科学家直接观察和操纵单个原子。 这种能力将使得针对特定量子比特对进行操作成为可能，而不是在整个系统中全局应用操作。 这项工作也可能影响中性原子之外的其他量子平台。基础的几何原理同样可以应用于半导体自旋量子比特和里德堡原子阵列。 在直接交换区域通过动力学相位实现的纠缠门。（图片来源：Nature） “这一美妙的结果凸显了 XRISM 的日本、欧洲和美国团队之间的紧密合作，”Matteo Guainazzi 在另一个关于国际科学合作的语境中说道。虽然与本实验没有直接关系，但更广泛的信息反映了物理学中的一个增长趋势：解决重大科学问题越来越依赖于全球合作和先进仪器。 对于苏黎世联邦理工学院的团队来说，这一成就标志着一个重要里程碑。研究人员没有与量子力学 (https://www.thebrighterside.news/space/breakthrough-theory-links-einsteins-relativity-and-quantum-mechanics/) 的奇异规则作斗争，而是将这些规则作为资源加以利用。 通过利用对称性、几何和量子统计，他们创建了一个将抽象数学转化为实用计算工具的系统。 ### 研究的实际意义 这项研究可能有助于使未来的量子计算机更加稳定、可扩展和高效。高保真度交换门对于在大规模量子处理器 (https://www.thebrighterside.news/post/oxford-scientists-achieve-quantum-gate-teleportation-between-two-quantum-supercomputers/) 中移动信息至关重要。通过创建自然抵抗噪声的门，科学家可能减轻目前限制量子硬件的巨大纠错负担。 同时操控超过 17,000 个量子比特对的能力也表明，中性原子系统可以扩展到非常大的规模。这种可扩展性最终可能支持能够解决远超当今计算能力的复杂科学、医学和工程问题的量子机器。 几何方法也可能激发其他量子平台的新设计。由于几何相位较少依赖于脆弱的时序和控制细节，它们可以在许多未来量子技术中提高可靠性。 研究结果已在线发表于《自然》期刊 Nature (https://www.nature.com/articles/s41586-026-10285-1) 。 --- - 时变磁场可以产生奇异的量子物质 (https://www.thebrighterside.news/post/time-varying-magnetic-fields-can-create-exotic-quantum-matter/) - 下落球体与量子怪异之间的奇怪联系 (https://www.thebrighterside.news/post/the-strange-connection-between-falling-balls-and-quantum-weirdness/) - 突破性离子钟实验揭示时间可以变得量子化 (https://www.thebrighterside.news/post/breakthrough-ion-clock-experiments-reveal-that-time-can-go-quantum/) ---