蘇黎世聯邦理工學院量子交換閘突破：中性原子量子位元精度達 99.1%，超級量子電腦更近一步

量子交換閘重大突破：穩定性大幅提升

蘇黎世聯邦理工學院（ETH Zurich）研究團隊近日在中性原子量子位元（neutral-atom qubits）領域取得重大突破，成功開發出一種全新的量子運算操作方式，使量子位元在運作過程中的穩定性達到前所未有的水準，為超級量子電腦的實現邁出關鍵一步。相關研究成果已發表於《Nature》期刊。

量子電腦被視為下一代運算技術的前沿，其運算速度遠超傳統矽基電腦所能達到的極限。量子電腦的核心在於量子位元（qubits），與傳統位元只能處於 0 或 1 的狀態不同，量子位元可同時處於 0、1 或兩者疊加的「量子疊加態」（superposition）。

量子電腦也使用運算閘（computing gates）來切換量子位元的狀態並進行平行運算。其中，交換閘（swap gate）是關鍵的量子運算元件之一，能讓兩個量子位元交換彼此的量子態。

為何傳統量子閘容易出錯？

交換閘的運作依賴「量子穿隧效應」（tunnel effect），也就是粒子能以古典物理學無法解釋的方式穿越障礙；同時，量子電腦也利用原子的高度激發電子態。這一切都取決於用來懸浮構成量子位元之原子的雷射光束強度與可調性。

然而，雷射的時序或強度只要出現微小波動，就會在系統中引入誤差，導致量子閘運作不穩定。傳統位元的錯誤率大約是一兆分之一，但量子位元的錯誤率卻高達千分之一，差距極為懸殊。

幾何相位：突破穩定性瓶頸的關鍵

為克服這個難題，ETH Zurich 研究團隊採用了一種更為精巧的方法——「幾何相位」（geometric phase）。這種效應利用原子在由交叉雷射光束構成的人造「光晶體」中所經過的路徑來產生作用。

ETH Zurich 量子電子學研究所博士後研究員 Yann Hendrick Kiefer 解釋：「雷射光本質上就是單色電磁輻射。當一個中性原子被放置在這個電場中，會產生感應偶極矩，進而產生一種力，使我們能夠將原子固定在特定位置。」

基於幾何的量子交換機制

當兩個被固定在此裝置中的鉀原子被拉近到量子波函數互相重疊的距離時，它們的組合狀態會隨著相對運動而改變。由於運算結果不再取決於原子移動的速度或雷射的功率，而是取決於系統所走過的整體路徑，因此對外部干擾的敏感度大幅降低，穩定性也隨之大幅提升。

研究團隊在一個包含 17,000 組量子位元對的系統中驗證了這種方法的優越性，交換閘的精確度達到 99.1%，且運算時間僅需一毫秒（千分之一秒）以內。

「半交換閘」開啟更多可能

研究團隊同時成功打造出「半交換閘」（half-swap gates），這種閘只會部分交換量子位元的狀態，而非完全交換，對於執行實際的量子演算法至關重要。完整交換閘僅能搬移資訊，而半交換閘不僅能交換資訊，還能在量子位元之間建立關聯性——這是傳統位元完全無法做到的。

Kiefer 對此表示樂觀，認為這項方法有望讓 Shor 演算法等問題僅需約 10,000 個量子位元就能解決，而非先前學界所推測的數百萬個。雖然這樣的超級量子電腦短期內還無法部署，但這項研究無疑讓我們距離那個目標又更近了一步。

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