纵身一跃，他们跳进曾避之不及的“陷阱”，却创下1.7万个原子对的量子门纪录

图源：Pixabay

导读：

科学的意义不仅仅在于理解世界，更在于去改造世界。随着人们对量子力学理解的深入，如何操纵大规模的量子比特成了下一个物理学的圣杯。

最近，来自苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）的Tilman Esslinger 教授团队展示了同时在1.7万个原子比特对中实现高保真交换门的能力[1]，创下了量子世界的操作纪录。突破的核心在于对 “双占态”的巧妙运用：这个在光晶格实验中长期被视为麻烦的态，在他们手中反而成为了生成几何相位的利器，搭起了通往通用量子计算的桥梁。

Remilia｜撰文

斯嘉丽｜编辑

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寻找运输量子货物的“轮子”

“薛定谔方程诞生一百年了。当只有一个粒子时，我们有很好的物理直觉；两个粒子时，情况开始变得‘诡异’（spooky）；而如果有很多粒子，找到解和建立物理直觉就变得极其困难。”去年9月，在合肥举行的第三届新兴量子技术国际会议上，苏黎世联邦理工学院教授Tilman Esslinger 作为2025年度“墨子量子奖”获奖人在获奖人主题报告中讲道[2]。（参见：）

苏黎世联邦理工学院教授Tilman Esslinger

对此，著名物理学家理查德·费曼早在数十年前就提出过一个设想：我们不去求解系统，而是人为建立一个完全可控的量子系统，通过操纵这个系统呈现复杂的物理场景，进而理解复杂多体系统的规律，这就是量子模拟的核心思想。

在这一设想的引导下，人们发展了在光晶格中装填的超冷原子技术，这是目前最精密的实验室“沙盘”之一。科学家利用激光编织出周期性的光晶格势场，将原子整齐地囚禁在其中，模拟固体中的电子行为。

光晶格中整齐排列的原子

然而，想在这个“沙盘”上构建真正的量子系统，光有整齐排列还不够。真实世界的原子间存在复杂的运动和纠缠，有用的量子模拟还需要原子之间能够相互“交谈”，也就是被运输、汇聚，并在相遇时执行特定的量子操作。

那么，我们如何对光晶格中成千上万个原子进行运输和连接？

“人类文明的发展离不开轮子的发明，”Esslinger说，“因为大家厌倦了手提重物，发现用轮子滚动更高效。我们现在就处于需要学习如何运输‘量子货物’的阶段。”

2025年，Esslinger的实验室先行解决了一项基础工程。在发表于PRX的一项研究中[3]，研究团队利用“拓扑泵浦”（Topological Pumping）技术，通过两束波长不同的晶格光相对移动，成功实现了纠缠原子对的无损合并、拆分与长程传输，最多在相隔 50 多个格点之间进行了相干传输。

“轮子”造好了，研究团队把目光瞄准了下一个问题：原子在汇合的刹那，如何执行一次精准的纠缠操作？

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“麻烦”变“宝藏”

在光晶格量子计算中，交换操作（SWAP）可以让两个量子比特互换各自携带的状态，这是构建量子模拟和量子计算的核心。过去二十年。实验者通常依靠原子间的碰撞相互作用来构建原子的交换操作，但这一路径有个公认的“麻烦制造者”：双占态（Doublon）。

在光晶格实验中，当两个原子被推向同一格点时，它们会以极大概率叠加形成双占态，也就是两个原子挤在同一个物理位置。这可能让量子信息泄露到我们计算空间之外，造成计算错误。

为了防止计算出错，研究者不得不如履薄冰般地精细调控参数，以确保原子永远绕过这个“禁区”[4]。但精细调控很难在大规模的原子阵列中同时实现，参数越精细，对激光的稳定性要求就越苛刻；而越苛刻，就越难以大规模推广，进而限制了量子系统的能力。

Esslinger 团队的思维在此发生了转弯：如果这个避不开的“麻烦”，恰恰就是最稳健的通道呢？

他们决定不再通过碰撞相互作用来实现交换门，而是反其道而行之：通过缓慢、绝热地调控晶格势场，主动引导原子穿越双占态。原子在这段旅途中，会在量子态空间里走出一条完整的闭合轨迹，而这条轨迹就积累出了几何相位。

“在这里，填充双占态实际上成为了解决问题的关键。”Esslinger说道。

左：拓扑泵浦移动原子相向运动；右：原子态（＋）短暂经过双占态（D）。图源：参考文献[1]

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动力学相位和几何相位

一定程度上，量子世界与经典的最大区别是“量子相位”：经典物体之间不会发生干涉，而有“量子相位”的量子物体之间却可以因为相位的相同、相反从而发生干涉相长、干涉相消，进而出现各种奇妙的干涉和诡异的叠加。

量子系统在演化过程中，会积累两种相位。

一种是“动力学相位”（Dynamical phase），它随时间累积。在以往光晶格实验中，以往基于碰撞的方案依赖的正是动力学相位，但激光强度的任何微小抖动，都会让相位积累跑偏，导致精度骤降。因此，这一过程极其敏感、脆弱。

另外一种是“几何相位”（Berry Phase），它只取决于演化路径的形状，与走完这段路所花的时间无关。

布洛赫球上的绕圈走路，原子经过双占态|D>后，绕过一圈积累了几何相位。图源：参考文献[1]

上面表示量子态的布洛赫球（Bloch sphere），为我们展现了积累几何相位的过程。通过缓慢变化光场，原子态在布洛赫球上画出了一条完整的、闭合的轨迹。只要光场变化的足够缓慢，系统就不会累计额外的动力学相位错误，而只要这条轨迹首尾相接，那么系统积累的几何相位就是一个确定值-；让原子之间确定性地进行了交换。

此外，实验所用的钾-40 原子是费米子，其固有的交换反对称性像一道天然防火墙，堵住了量子信息向非计算空间泄漏的所有出口。

基于此，研究人员在包含了超过 17000 对原子比特的巨大阵列中，同时实现了这一交换门，交换平均保真度达到99.5(1)%。在剔除掉光晶格中固有的原子弥散损耗后，其校正幅度保真度达到了破纪录的 99.91(7)%。这一保真度已经超越大部分量子计算纠错码的纠错阈值。

更难得的是，这种几何相位门有极高的抗噪声能力。实验中，研究者人为向系统施加高达5%的隧穿噪声（模拟激光场不稳定），几何门的保真度依然维持在稳定的高位平台，未见明显下滑——而传统方案在同等扰动下性能会迅速崩塌。

就像一个人在球面上行走一圈回到原点，他随身携带的指南针方向会发生固定的偏转，偏转的角度只取决于他走的路径围成的面积，而与走得快慢无关。正是这种“只看路径，不看过程”的几何特性，赋予了量子门极强的抗噪能力。

正如指南针在球面的不同位置，偏转的角度只取决于走的路径围成的面积，而与走得快慢无关，几何相位也只与路径围合的球面面积有关。图源：Nature Reviews Physics

“这种几何相位在很大程度上不取决于我们操纵原子的速度，也不受过程中激光强度波动的影响。”该研究的第一作者 Konrad Viebahn 解释道[5]。

此外，团队还将这一机制扩展到了存在相互作用的“直接交换区”，成功实现了纠缠门（），并同样获得了 99.0(2)% 的高保真度。这一表现全面超越了依赖精细微调的传统方案，并且，该纠缠门是光晶格中性原子量子计算的重要拼图，这一结果让大家看到了光晶格量子计算的巨大潜力。

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通向容错量子计算

尽管实现了 1.7 万对量子比特的同步操作，科学家们仍保持着清醒的冷静。

目前的演示是一种“全局操作”，意味着阵列中的所有原子都在执行相同的动作，但无法对某一排原子进行单独操作。

“如今，我们已能利用中性原子制造出大量的交换门。” Esslinger 说道，“当然，若要构建一台能够正常运行的量子计算机，我们仍需具备其他一些关键要素。”[2]

他介绍，接下来的工作之一，便是将这些交换门与量子气体显微镜相结合。届时，人们将能够使单个量子比特对清晰可见，并对其进行选择性操控。如此一来，交换门便可仅针对特定的量子比特发挥作用，进而可以运行复杂的量子线路。

Tilman Esslinger 团队。图源：https://www.quantumoptics.ethz.ch/

“展望未来，我认为量子模拟和量子计算的融合是必然的趋势。” Esslinger 最后说道，“在量子计算中，从基态出发制备特定的复杂纠缠态往往比直接模拟热平衡态更容易。将两者结合，我们将能回答更多深刻的物理问题。感谢我的团队，特别是负责这项实验的 Konrad Viebahn 和 Zhu Zijie（朱子杰）。”[2]

参加ICEQT会议的朱子杰同学正在提问。图片：斯嘉丽

参考文献：

[1]Kiefer, Yann, Zijie Zhu, Lars Fischer, et al. "Protected quantum gates using qubit doublons in dynamical optical lattices." Nature (2026). https://doi.org/10.1038/s41586-026-10285-1

[2]Tilman Esslinger, "Synthetic Quantum Many-Body Systmes ," ICEQT2025, September 20, 2025

[3]Zhu, Zijie, et al. "Splitting and connecting singlets in atomic quantum circuits." Physical Review X 15.4 (2025): 041032.

[4]Mandel, Olaf, et al. "Controlled collisions for multi-particle entanglement of optically trapped atoms." Nature 425.6961 (2003): 937-940.

[5]一个新技巧为量子操作带来了稳定性 | 苏黎世联邦理工学院 https://ethz.ch/en/news-and-events/eth-news/news/2026/04/a-new-trick-brings-stability-to-quantum-operations.html