瑞士的科學家們在構建穩定的量子電腦方面邁出了重要一步，成功研發出一種基於中性原子的交換閘，其準確度高達 99.9%，並能同時運作於 17,000 個量子比特（qubits）。該研究由蘇黎世聯邦理工學院（ETH Zurich）量子電子學研究所的教授 Tilman Esslinger 博士領導，研究團隊採用了幾何相位的理念，這種方法使得量子邏輯運算在實驗噪聲下更加穩健。
科學家們利用這種方法實現了高質量的交換閘，或稱量子交換，這是一種基本的量子操作，能夠交換兩個量子比特的狀態。傳統的交換閘通常依賴如隧道效應或碰撞等相互作用，這些互動對於不完美情況非常敏感。與此不同，這種新方法依賴於量子系統的運行路徑，而非不穩定的外部因素。研究人員還證明了該閘可以同時應用於數千個量子比特上。
量子電腦的運作依賴於量子比特，這是基本的量子力學信息單位。與傳統的比特只能是 0 或 1 不同，量子比特可以同時存在多種狀態。然而，精確控制量子比特的難度非常大，連微小的溫度波動、激光強度變化甚至環境噪聲都可能對其造成干擾。為了解決這一挑戰，研究團隊設計了一種完全基於幾何相位的交換閘，用於交換兩個量子比特的量子狀態。
這意味著，如果量子比特 A 處於狀態 0，而量子比特 B 處於狀態 1，則在交換閘的執行後，量子比特 A 將變為狀態 1，而量子比特 B 將變為狀態 0。這些閘有助於路由量子信息，因此，結果由系統的運行路徑決定，而非外部波動，這使得閘對噪聲的抵抗力增強。
為了實現這一點，研究人員將極冷的鉀原子困在光學晶格中，這是一種由激光光線形成的網格狀結構。這些原子作為量子比特，其自旋狀態編碼量子信息。通過精確操控激光配置，團隊使得原子對的量子波函數在空間中重疊，從而觸發了實現交換操作所需的幾何相位。
由於鉀原子是費米子，無法共享相同的量子狀態，因此這一操控產生了幾何相位。根據實驗的年輕組長 Konrad Viebahn 博士的說法，與動態相位不同，這一幾何相位與操控原子的速度或激光強度在過程中波動的強度大致無關。因此，新的交換閘達到了 99.91% 的精度，並且能夠同時在 17,000 對量子比特上運行。
Esslinger 在新聞聲明中表示，我們現在可以利用中性原子製作大量的交換閘，但當然，我們仍然需要幾個其他元素來構建一台可運行的量子電腦。他補充說，下一步是將交換閘與量子氣體顯微鏡相結合，以可視化和選擇性控制量子比特對。同時，通過引入原子碰撞，研究人員成功實現了半交換閘，這使得量子比特之間變得量子機械上糾纏，這是執行量子演算法的先決條件。該研究已發表在《自然》期刊上。
