研究人员在包含1.7万对量子比特的系统中实现了交换门99.1%的精度。

苏黎世联邦理工学院的研究人员在中性原子量子比特方面取得重大突破，使量子比特在工作时的稳定性达到前所未有的水平，这让我们向量子超级计算机又迈进了一步。为此，研究团队还必须开发一种新型量子操作，从而推动了量子计算的发展。

量子计算机被视为计算领域的下一代前沿，其运算速度是传统硅基计算机无法企及的。量子计算机这一能力的核心是量子比特，它可以处于0态、1态或两者的组合态，即所谓的叠加态。

量子计算机还使用计算门，让量子比特在这些状态之间转换，并并行运行计算。其中对量子操作至关重要的一种门是交换门，它允许两个量子比特交换彼此的量子状态。

什么让门变得不可靠？

交换门的工作依赖于隧穿效应，即粒子能够以经典物理学无法理解的方式穿过障碍，同时量子计算机还利用原子高度激发的电子状态。这一切都取决于激光的强度和可调谐性，激光将构成量子比特的原子悬浮在空中。

激光在时序或强度上的任何波动都会给系统引入误差，使这些门变得不可靠。传统比特的错误率通常被视为万亿分之一，而量子比特的错误率则更常见，约为千分之一。

为了克服这一点，苏黎世联邦理工学院的研究人员利用了一种更微妙的效应——几何相位，它利用了原子在由交叉激光束构建的人造“光晶格”中所经过的路径。

“激光不过是单色电磁辐射，”苏黎世联邦理工学院量子电子学研究所博士后研究员扬·亨德里克·基弗告诉一家主流科学媒体，“如果将一个中性原子置于这个电场内，会感应出偶极矩，从而产生一种力，使我们能够将原子固定在原位。”

基于几何的量子交换

当两个以这种方式束缚的钾原子被拉近到它们的量子波相互重叠时，它们的组合态会随相对运动而变化。由于输出结果不再取决于原子运动的速度或激光的功率，而是取决于系统所经历的整体路径，这使得它对来自外部的干扰不那么敏感，进而更加稳定。

研究团队在一个包含1.7万对量子比特的系统中展示了这种方法的优越性。他们的交换门在一毫秒（千分之一秒）内运行，精度达到了99.1%。

研究人员还成功创建了“半交换”门，它只部分交换量子比特，而非完全交换，这对于运行真正的量子算法至关重要。全交换移动的是信息，而半交换不仅可以交换信息，还能在量子比特之间建立关联，这是经典比特无法做到的。

基弗乐观地认为，他们的方法可能仅用1万个量子比特就能解决肖尔算法等问题，而不是研究人员此前假设的百万量级量子比特。虽然这样的量子超级计算机可能不会很快部署，但这项研究让我们离现实又近了一步。

该研究成果发表在《自然》杂志上。

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