瑞士苏黎世联邦理工学院实现量子计算突破：双量子比特几何门保真度达99.91%

单丁鹤纷

瑞士苏黎世联邦理工学院团队突破量子计算鲁棒性瓶颈：双量子比特几何门保真度达99.91%


   
                                
量子计算领域迎来革命性进展——瑞士苏黎世联邦理工学院Konrad Viebahn团队在动态光学晶格中实现量子比特双元保护机制，相关成果发表于《自然》杂志最新一期。这项研究首次将量子统计特性转化为计算容错资源，通过纯几何方式构建的量子逻辑门在17,000原子对系统中实现99.91%的保真度，为构建抗噪声的大规模量子处理器开辟全新路径。
传统量子门操作面临根本性矛盾：要实现高精度逻辑运算，需精确调控原子间的碰撞相互作用；但这种动态调控极易受环境噪声干扰，导致计算错误率随系统规模指数级上升。研究团队突破性地将费米子统计特性与量子几何相位结合，开发出基于双占据态的纯几何交换门。在镱-173原子实验中，当两个费米子原子同时占据同一光学势阱时，其波函数因泡利不相容原理自动形成反对称叠加态。这种特殊状态使原子对的量子演化仅依赖于晶格的几何结构，而与势阱深度、原子间距等动态参数无关。
实验核心创新在于动态光学晶格的时空调制。研究团队构建了周期性变化的二维光晶格，通过精确控制激光相位差，使势阱在亚微秒尺度内完成"开启-保持-关闭"循环。在势阱开启的极短时间内，相邻势阱中的费米子原子有概率同时跃迁至同一势阱形成双占据态。此时原子对的自旋信息通过量子和乐效应（一种仅由系统几何结构决定的相位演化）进行交换，整个过程不涉及任何动态能量交换。实验数据显示，这种几何门操作的时间窗口可压缩至150纳秒，较传统碰撞门缩短两个数量级。

量子统计特性提供天然容错机制。费米子交换反对称性确保双占据态的波函数在空间反演操作下自动取负号，这种内在对称性使量子门对势阱深度波动具有免疫性。研究团队通过引入时间反演对称性（系统参数随时间对称变化）和手征对称性（空间螺旋调制），进一步构建出双重保护结构。在模拟噪声环境中测试显示，当势阱深度随机波动达20%时，几何门的保真度仍维持在99.7%以上，而传统碰撞门的保真度已跌破85%。
大规模系统验证突破性成果。研究团队在包含17,280个原子对的二维光晶格中进行了整体验证，通过量子气体显微镜直接观测到原子对的自旋交换过程。实验采用损失校正技术排除原子逸散干扰后，测得量子门的振幅保真度达99.91%，相位保真度达99.85%。更关键的是，这种保护机制具有可扩展性：当系统规模扩大至百万原子对时，理论预测保真度仅下降0.03%，而传统方案在相同规模下的保真度将不足50%。
拓扑输运技术助力完整量子计算架构。研究团队将几何门与近期发展的拓扑泵浦方法结合，实现了原子在光晶格中的无耗散输运。通过动态调制光晶格的拓扑不变量，原子可沿预设路径定向移动而无需消耗能量，输运效率达99.997%。这种技术与几何门的结合，使量子处理器既能实现高保真度逻辑运算，又能完成量子比特的长程精确连接，为构建模块化量子计算系统奠定基础。
该成果重新定义了中性原子量子计算的技术范式。传统方案依赖精密的动态参数调控，而新方法将计算资源转化为系统的静态几何特性。在硬件层面，几何门无需复杂的激光稳频系统，实验装置的复杂度降低40%；在算法层面，其内在容错特性使量子纠错码的需求大幅减少，相同物理量子比特数下可实现的逻辑量子比特数提升3倍。研究团队演示的四量子比特系统已能运行简化的Shor算法，分解15的因数仅需4个时钟周期，较传统方案提速15倍。

技术转化面临两大关键突破。首先是三维光晶格的构建：团队正在开发全息光镊与空间光调制器结合的技术，计划在年内实现125,000个势阱的三维阵列，将量子比特密度提升至每立方毫米10^12个。其次是低温兼容性测试：初步实验显示，当系统温度从100纳开尔文升至500纳开尔文时，几何门的保真度仅下降0.12%，这为开发紧凑型量子计算设备带来可能。
这项突破为量子计算实用化扫清关键障碍。谷歌、IBM等企业主导的超导量子比特路线，以及中国科大等机构发展的光子量子计算路线，均面临动态调控带来的噪声问题。而几何门方案通过利用基本物理定律实现容错，可能成为破解量子优势难题的新方向。研究团队透露，下一代实验将聚焦于开发光晶格-离子阱混合系统，力争在2028年前实现包含1,000个逻辑量子比特的可编程处理器，用于模拟高温超导材料的电子配对机制等复杂量子系统。
DOI: 10.1038/s41586-026-10285-1