縱身一躍，他們跳進曾避之不及的“陷阱”，卻創下1.7萬個原子對的量子門紀錄

圖源：Pixabay

導讀：

科學的意義不僅僅在于理解世界，更在于去改造世界。隨著人們對量子力學理解的深入，如何操縱大規模的量子比特成了下一個物理學的圣杯。

最近，來自蘇黎世聯邦理工學院（ETH Zurich）的Tilman Esslinger 教授團隊展示了同時在1.7萬個原子比特對中實現高保真交換門的能力[1]，創下了量子世界的操作紀錄。突破的核心在于對 “雙占態”的巧妙運用：這個在光晶格實驗中長期被視為麻煩的態，在他們手中反而成為了生成幾何相位的利器，搭起了通往通用量子計算的橋梁。

Remilia｜撰文

斯嘉麗｜編輯

SAIXIANSHENG

尋找運輸量子貨物的“輪子”

“薛定諤方程誕生一百年了。當只有一個粒子時，我們有很好的物理直覺；兩個粒子時，情況開始變得‘詭異’（spooky）；而如果有很多粒子，找到解和建立物理直覺就變得極其困難。”去年9月，在合肥舉行的第三屆新興量子技術國際會議上，蘇黎世聯邦理工學院教授Tilman Esslinger 作為2025年度“墨子量子獎”獲獎人在獲獎人主題報告中講道[2]。（參見：）

蘇黎世聯邦理工學院教授Tilman Esslinger

對此，著名物理學家理查德·費曼早在數十年前就提出過一個設想：我們不去求解系統，而是人為建立一個完全可控的量子系統，通過操縱這個系統呈現復雜的物理場景，進而理解復雜多體系統的規律，這就是量子模擬的核心思想。

在這一設想的引導下，人們發展了在光晶格中裝填的超冷原子技術，這是目前最精密的實驗室“沙盤”之一。科學家利用激光編織出周期性的光晶格勢場，將原子整齊地囚禁在其中，模擬固體中的電子行為。

光晶格中整齊排列的原子

然而，想在這個“沙盤”上構建真正的量子系統，光有整齊排列還不夠。真實世界的原子間存在復雜的運動和糾纏，有用的量子模擬還需要原子之間能夠相互“交談”，也就是被運輸、匯聚，并在相遇時執行特定的量子操作。

那么，我們如何對光晶格中成千上萬個原子進行運輸和連接？

“人類文明的發展離不開輪子的發明，”Esslinger說，“因為大家厭倦了手提重物，發現用輪子滾動更高效。我們現在就處于需要學習如何運輸‘量子貨物’的階段。”

2025年，Esslinger的實驗室先行解決了一項基礎工程。在發表于PRX的一項研究中[3]，研究團隊利用“拓撲泵浦”（Topological Pumping）技術，通過兩束波長不同的晶格光相對移動，成功實現了糾纏原子對的無損合并、拆分與長程傳輸，最多在相隔 50 多個格點之間進行了相干傳輸。

“輪子”造好了，研究團隊把目光瞄準了下一個問題：原子在匯合的剎那，如何執行一次精準的糾纏操作？

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“麻煩”變“寶藏”

在光晶格量子計算中，交換操作（SWAP）可以讓兩個量子比特互換各自攜帶的狀態，這是構建量子模擬和量子計算的核心。過去二十年。實驗者通常依靠原子間的碰撞相互作用來構建原子的交換操作，但這一路徑有個公認的“麻煩制造者”：雙占態（Doublon）。

在光晶格實驗中，當兩個原子被推向同一格點時，它們會以極大概率疊加形成雙占態，也就是兩個原子擠在同一個物理位置。這可能讓量子信息泄露到我們計算空間之外，造成計算錯誤。

為了防止計算出錯，研究者不得不如履薄冰般地精細調控參數，以確保原子永遠繞過這個“禁區”[4]。但精細調控很難在大規模的原子陣列中同時實現，參數越精細，對激光的穩定性要求就越苛刻；而越苛刻，就越難以大規模推廣，進而限制了量子系統的能力。

Esslinger 團隊的思維在此發生了轉彎：如果這個避不開的“麻煩”，恰恰就是最穩健的通道呢？

他們決定不再通過碰撞相互作用來實現交換門，而是反其道而行之：通過緩慢、絕熱地調控晶格勢場，主動引導原子穿越雙占態。原子在這段旅途中，會在量子態空間里走出一條完整的閉合軌跡，而這條軌跡就積累出了幾何相位。

“在這里，填充雙占態實際上成為了解決問題的關鍵。”Esslinger說道。

左：拓撲泵浦移動原子相向運動；右：原子態（＋）短暫經過雙占態（D）。圖源：參考文獻[1]

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動力學相位和幾何相位

一定程度上，量子世界與經典的最大區別是“量子相位”：經典物體之間不會發生干涉，而有“量子相位”的量子物體之間卻可以因為相位的相同、相反從而發生干涉相長、干涉相消，進而出現各種奇妙的干涉和詭異的疊加。

量子系統在演化過程中，會積累兩種相位。

一種是“動力學相位”（Dynamical phase），它隨時間累積。在以往光晶格實驗中，以往基于碰撞的方案依賴的正是動力學相位，但激光強度的任何微小抖動，都會讓相位積累跑偏，導致精度驟降。因此，這一過程極其敏感、脆弱。

另外一種是“幾何相位”（Berry Phase），它只取決于演化路徑的形狀，與走完這段路所花的時間無關。

布洛赫球上的繞圈走路，原子經過雙占態|D>后，繞過一圈積累了幾何相位。圖源：參考文獻[1]

上面表示量子態的布洛赫球（Bloch sphere），為我們展現了積累幾何相位的過程。通過緩慢變化光場，原子態在布洛赫球上畫出了一條完整的、閉合的軌跡。只要光場變化的足夠緩慢，系統就不會累計額外的動力學相位錯誤，而只要這條軌跡首尾相接，那么系統積累的幾何相位就是一個確定值-；讓原子之間確定性地進行了交換。

此外，實驗所用的鉀-40 原子是費米子，其固有的交換反對稱性像一道天然防火墻，堵住了量子信息向非計算空間泄漏的所有出口。

基于此，研究人員在包含了超過 17000 對原子比特的巨大陣列中，同時實現了這一交換門，交換平均保真度達到99.5(1)%。在剔除掉光晶格中固有的原子彌散損耗后，其校正幅度保真度達到了破紀錄的 99.91(7)%。這一保真度已經超越大部分量子計算糾錯碼的糾錯閾值。

更難得的是，這種幾何相位門有極高的抗噪聲能力。實驗中，研究者人為向系統施加高達5%的隧穿噪聲（模擬激光場不穩定），幾何門的保真度依然維持在穩定的高位平臺，未見明顯下滑——而傳統方案在同等擾動下性能會迅速崩塌。

就像一個人在球面上行走一圈回到原點，他隨身攜帶的指南針方向會發生固定的偏轉，偏轉的角度只取決于他走的路徑圍成的面積，而與走得快慢無關。正是這種“只看路徑，不看過程”的幾何特性，賦予了量子門極強的抗噪能力。

正如指南針在球面的不同位置，偏轉的角度只取決于走的路徑圍成的面積，而與走得快慢無關，幾何相位也只與路徑圍合的球面面積有關。圖源：Nature Reviews Physics

“這種幾何相位在很大程度上不取決于我們操縱原子的速度，也不受過程中激光強度波動的影響。”該研究的第一作者 Konrad Viebahn 解釋道[5]。

此外，團隊還將這一機制擴展到了存在相互作用的“直接交換區”，成功實現了糾纏門（），并同樣獲得了 99.0(2)% 的高保真度。這一表現全面超越了依賴精細微調的傳統方案，并且，該糾纏門是光晶格中性原子量子計算的重要拼圖，這一結果讓大家看到了光晶格量子計算的巨大潛力。

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通向容錯量子計算

盡管實現了 1.7 萬對量子比特的同步操作，科學家們仍保持著清醒的冷靜。

目前的演示是一種“全局操作”，意味著陣列中的所有原子都在執行相同的動作，但無法對某一排原子進行單獨操作。

“如今，我們已能利用中性原子制造出大量的交換門。” Esslinger 說道，“當然，若要構建一臺能夠正常運行的量子計算機，我們仍需具備其他一些關鍵要素。”[2]

他介紹，接下來的工作之一，便是將這些交換門與量子氣體顯微鏡相結合。屆時，人們將能夠使單個量子比特對清晰可見，并對其進行選擇性操控。如此一來，交換門便可僅針對特定的量子比特發揮作用，進而可以運行復雜的量子線路。

Tilman Esslinger 團隊。圖源：https://www.quantumoptics.ethz.ch/

“展望未來，我認為量子模擬和量子計算的融合是必然的趨勢。” Esslinger 最后說道，“在量子計算中，從基態出發制備特定的復雜糾纏態往往比直接模擬熱平衡態更容易。將兩者結合，我們將能回答更多深刻的物理問題。感謝我的團隊，特別是負責這項實驗的 Konrad Viebahn 和 Zhu Zijie（朱子杰）。”[2]

參加ICEQT會議的朱子杰同學正在提問。圖片：斯嘉麗

參考文獻：

[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]一個新技巧為量子操作帶來了穩定性 | 蘇黎世聯邦理工學院 https://ethz.ch/en/news-and-events/eth-news/news/2026/04/a-new-trick-brings-stability-to-quantum-operations.html