苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）研究人员在中性原子量子比特平台上实现了一种稳定性较高的量子逻辑操作。研究团队表示，该量子门基于几何相位而非动态相位生成，因此对实验噪声具有更强鲁棒性，相关成果已发表于《自然》（Nature）。

量子计算机可采用多种物理体系构建量子比特。近年来，超导电路与离子阱是主要研发方向之一。研究人员指出，中性原子同样具备优势：由于不带电荷，对外界干扰的敏感度相对较低；同时，借助激光束捕获与排列，中性原子体系在单一系统中实现数千个量子比特相对更为容易。

不过，在中性原子体系中实现高质量量子门仍面临挑战。量子计算依赖对处于0与1叠加态的量子比特执行量子逻辑操作。此前，中性原子量子门多借助里德堡（Rydberg）激发态、原子间碰撞或隧穿效应实现。其中，隧穿效应对激光光强高度敏感，研究人员称，即便微小缺陷或波动也可能显著降低量子门质量。

据ETH Zurich量子电子学研究所教授Esslinger领导的团队介绍，他们实现了一种交换门（swap gate），其核心是利用纯几何相位完成量子态交换。团队称，几何相位使粒子状态随其演化路径发生变化，而非由外部扰动主导，从而提升了对实验噪声的抗性。研究人员同时报告，该交换门可并行应用于数千个量子比特。

交换门用于交换两个量子比特的量子态。例如，若量子比特A初始为0、量子比特B初始为1，执行交换门后A变为1、B变为0。研究人员指出，交换门在大型量子计算机中对量子信息路由具有重要作用。

团队成员、博士后Yann Kiefer表示，早期在最低能态中性原子上实现类似操作时，主要依赖隧穿与碰撞产生的动态相位。动态相位与粒子运动或相互作用相关，会影响量子力学波函数的相位演化，从而改变观测到特定量子态的概率。

与之不同，几何相位被研究人员描述为更“抽象”的相位来源，例如电子自旋方向变化可引入几何相位：自旋旋转360度后方向不变，但波函数相位可相差180度。Esslinger团队采用类似思路实现交换门：他们将极冷的钾原子捕获在光学晶格中，使原子固定在人工光晶体结构内，并通过操控激光束让以自旋态编码为量子比特的原子对彼此靠近，使波函数在空间中发生重叠。

研究人员解释，由于钾原子属于费米子，受量子力学规律约束，不能处于完全相同的量子态，这一过程由此产生几何相位。实验初级组长Konrad Viebahn表示，与动态相位相比，该几何相位在很大程度上不依赖操控原子的速度，也不易受激光强度波动影响。

团队报告称，该交换门可在不到一毫秒内以99.91%的精度完成两量子比特状态交换，并可同时对1.7万个量子比特对进行操作。Esslinger表示，研究已证明可用中性原子实现大量交换门，但要构建可用的量子计算机仍需其他关键技术。

据介绍，后续工作方向之一是将交换门与量子气体显微镜结合，以实现对单个量子比特对的可视化与选择性操控，从而仅对特定量子比特施加交换门。研究人员还展示，通过引入原子间碰撞可实现“半”交换门，使量子比特产生量子纠缠，而纠缠被认为是执行量子算法的前提条件。