圖源：Pixabay

導(dǎo)讀：

科學(xué)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(duì)量子力學(xué)理解的深入，如何操縱大規(guī)模的量子比特成了下一個(gè)物理學(xué)的圣杯。

最近，來自蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（ETH Zurich）的Tilman Esslinger 教授團(tuán)隊(duì)展示了同時(shí)在1.7萬個(gè)原子比特對(duì)中實(shí)現(xiàn)高保真交換門的能力[1]，創(chuàng)下了量子世界的操作紀(jì)錄。突破的核心在于對(duì) “雙占態(tài)”的巧妙運(yùn)用：這個(gè)在光晶格實(shí)驗(yàn)中長期被視為麻煩的態(tài)，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(jì)算的橋梁。

Remilia｜撰文

斯嘉麗｜編輯

SAIXIANSHENG

尋找運(yùn)輸量子貨物的“輪子”

“薛定諤方程誕生一百年了。當(dāng)只有一個(gè)粒子時(shí)，我們有很好的物理直覺；兩個(gè)粒子時(shí)，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?！比ツ?月，在合肥舉行的第三屆新興量子技術(shù)國際會(huì)議上，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院教授Tilman Esslinger 作為2025年度“墨子量子獎(jiǎng)”獲獎(jiǎng)人在獲獎(jiǎng)人主題報(bào)告中講道[2]。（參見：）

蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院教授Tilman Esslinger

對(duì)此，著名物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼早在數(shù)十年前就提出過一個(gè)設(shè)想：我們不去求解系統(tǒng)，而是人為建立一個(gè)完全可控的量子系統(tǒng)，通過操縱這個(gè)系統(tǒng)呈現(xiàn)復(fù)雜的物理場景，進(jìn)而理解復(fù)雜多體系統(tǒng)的規(guī)律，這就是量子模擬的核心思想。

在這一設(shè)想的引導(dǎo)下，人們發(fā)展了在光晶格中裝填的超冷原子技術(shù)，這是目前最精密的實(shí)驗(yàn)室“沙盤”之一。科學(xué)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(gè)“沙盤”上構(gòu)建真正的量子系統(tǒng)，光有整齊排列還不夠。真實(shí)世界的原子間存在復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)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(yùn)輸、匯聚，并在相遇時(shí)執(zhí)行特定的量子操作。

那么，我們?nèi)绾螌?duì)光晶格中成千上萬個(gè)原子進(jìn)行運(yùn)輸和連接？

“人類文明的發(fā)展離不開輪子的發(fā)明，”Esslinger說，“因?yàn)榇蠹覅捑肓耸痔嶂匚?，發(fā)現(xiàn)用輪子滾動(dòng)更高效。我們現(xiàn)在就處于需要學(xué)習(xí)如何運(yùn)輸‘量子貨物’的階段?！?/p>

2025年，Esslinger的實(shí)驗(yàn)室先行解決了一項(xiàng)基礎(chǔ)工程。在發(fā)表于PRX的一項(xiàng)研究中[3]，研究團(tuán)隊(duì)利用“拓?fù)浔闷帧保═opological Pumping）技術(shù)，通過兩束波長不同的晶格光相對(duì)移動(dòng)，成功實(shí)現(xiàn)了糾纏原子對(duì)的無損合并、拆分與長程傳輸，最多在相隔 50 多個(gè)格點(diǎn)之間進(jìn)行了相干傳輸。

“輪子”造好了，研究團(tuán)隊(duì)把目光瞄準(zhǔn)了下一個(gè)問題：原子在匯合的剎那，如何執(zhí)行一次精準(zhǔn)的糾纏操作？

SAIXIANSHENG

“麻煩”變“寶藏”

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

在光晶格實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)兩個(gè)原子被推向同一格點(diǎn)時(shí)，它們會(huì)以極大概率疊加形成雙占態(tài)，也就是兩個(gè)原子擠在同一個(gè)物理位置。這可能讓量子信息泄露到我們計(jì)算空間之外，造成計(jì)算錯(cuò)誤。

為了防止計(jì)算出錯(cuò)，研究者不得不如履薄冰般地精細(xì)調(diào)控參數(shù)，以確保原子永遠(yuǎn)繞過這個(gè)“禁區(qū)”[4]。但精細(xì)調(diào)控很難在大規(guī)模的原子陣列中同時(shí)實(shí)現(xiàn)，參數(shù)越精細(xì)，對(duì)激光的穩(wěn)定性要求就越苛刻；而越苛刻，就越難以大規(guī)模推廣，進(jìn)而限制了量子系統(tǒng)的能力。

Esslinger 團(tuán)隊(duì)的思維在此發(fā)生了轉(zhuǎn)彎：如果這個(gè)避不開的“麻煩”，恰恰就是最穩(wěn)健的通道呢？

他們決定不再通過碰撞相互作用來實(shí)現(xiàn)交換門，而是反其道而行之：通過緩慢、絕熱地調(diào)控晶格勢場，主動(dòng)引導(dǎo)原子穿越雙占態(tài)。原子在這段旅途中，會(huì)在量子態(tài)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(tài)實(shí)際上成為了解決問題的關(guān)鍵。”Esslinger說道。

左：拓?fù)浔闷忠苿?dòng)原子相向運(yùn)動(dòng)；右：原子態(tài)（＋）短暫經(jīng)過雙占態(tài)（D）。圖源：參考文獻(xiàn)[1]

SAIXIANSHENG

動(dòng)力學(xué)相位和幾何相位

一定程度上，量子世界與經(jīng)典的最大區(qū)別是“量子相位”：經(jīng)典物體之間不會(huì)發(fā)生干涉，而有“量子相位”的量子物體之間卻可以因?yàn)橄辔坏南嗤?、相反從而發(fā)生干涉相長、干涉相消，進(jìn)而出現(xiàn)各種奇妙的干涉和詭異的疊加。

量子系統(tǒng)在演化過程中，會(huì)積累兩種相位。

一種是“動(dòng)力學(xué)相位”（Dynamical phase），它隨時(shí)間累積。在以往光晶格實(shí)驗(yàn)中，以往基于碰撞的方案依賴的正是動(dòng)力學(xué)相位，但激光強(qiáng)度的任何微小抖動(dòng)，都會(huì)讓相位積累跑偏，導(dǎo)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(shí)間無關(guān)。

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

上面表示量子態(tài)的布洛赫球（Bloch sphere），為我們展現(xiàn)了積累幾何相位的過程。通過緩慢變化光場，原子態(tài)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(tǒng)就不會(huì)累計(jì)額外的動(dòng)力學(xué)相位錯(cuò)誤，而只要這條軌跡首尾相接，那么系統(tǒng)積累的幾何相位就是一個(gè)確定值-；讓原子之間確定性地進(jìn)行了交換。

此外，實(shí)驗(yàn)所用的鉀-40 原子是費(fèi)米子，其固有的交換反對(duì)稱性像一道天然防火墻，堵住了量子信息向非計(jì)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(duì)原子比特的巨大陣列中，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了這一交換門，交換平均保真度達(dá)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(dá)到了破紀(jì)錄的 99.91(7)%。這一保真度已經(jīng)超越大部分量子計(jì)算糾錯(cuò)碼的糾錯(cuò)閾值。

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

就像一個(gè)人在球面上行走一圈回到原點(diǎn)，他隨身攜帶的指南針方向會(huì)發(fā)生固定的偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)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(guān)。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(qiáng)的抗噪能力。

正如指南針在球面的不同位置，偏轉(zhuǎn)的角度只取決于走的路徑圍成的面積，而與走得快慢無關(guān)，幾何相位也只與路徑圍合的球面面積有關(guān)。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(qiáng)度波動(dòng)的影響?！痹撗芯康牡谝蛔髡?Konrad Viebahn 解釋道[5]。

此外，團(tuán)隊(duì)還將這一機(jī)制擴(kuò)展到了存在相互作用的“直接交換區(qū)”，成功實(shí)現(xiàn)了糾纏門（），并同樣獲得了 99.0(2)% 的高保真度。這一表現(xiàn)全面超越了依賴精細(xì)微調(diào)的傳統(tǒng)方案，并且，該糾纏門是光晶格中性原子量子計(jì)算的重要拼圖，這一結(jié)果讓大家看到了光晶格量子計(jì)算的巨大潛力。

SAIXIANSHENG

通向容錯(cuò)量子計(jì)算

盡管實(shí)現(xiàn)了 1.7 萬對(duì)量子比特的同步操作，科學(xué)家們?nèi)员３种逍训睦潇o。

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(zhí)行相同的動(dòng)作，但無法對(duì)某一排原子進(jìn)行單獨(dú)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(dāng)然，若要構(gòu)建一臺(tái)能夠正常運(yùn)行的量子計(jì)算機(jī)，我們?nèi)孕杈邆淦渌恍╆P(guān)鍵要素?！盵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(jié)合。屆時(shí)，人們將能夠使單個(gè)量子比特對(duì)清晰可見，并對(duì)其進(jìn)行選擇性操控。如此一來，交換門便可僅針對(duì)特定的量子比特發(fā)揮作用，進(jìn)而可以運(yùn)行復(fù)雜的量子線路。

Tilman Esslinger 團(tuán)隊(duì)。圖源：https://www.quantumoptics.ethz.ch/

“展望未來，我認(rèn)為量子模擬和量子計(jì)算的融合是必然的趨勢?！?Esslinger 最后說道，“在量子計(jì)算中，從基態(tài)出發(fā)制備特定的復(fù)雜糾纏態(tài)往往比直接模擬熱平衡態(tài)更容易。將兩者結(jié)合，我們將能回答更多深刻的物理問題。感謝我的團(tuán)隊(duì)，特別是負(fù)責(zé)這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的 Konrad Viebahn 和 Zhu Zijie（朱子杰）?！盵2]

參加ICEQT會(huì)議的朱子杰同學(xué)正在提問。圖片：斯嘉麗

參考文獻(xiàn)：

[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(gè)新技巧為量子操作帶來了穩(wěn)定性 | 蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院 https://ethz.ch/en/news-and-events/eth-news/news/2026/04/a-new-trick-brings-stability-to-quantum-operations.html