中性原子量子计算新突破：高保真纠缠门与非局域线路实现
2026年10月8日，国际顶级学术期刊《科学》（Science）在线发表了由哈佛大学Mikhail D. Lukin团队与麻省理工学院Vladan Vuletić团队合作完成的最新研究成果。该论文题为"High-fidelity entangling gates and nonlocal circuits with neutral atoms"，报道了研究团队在中性原子量子处理器上实现了高达99.854%保真度的受控Z（CZ）纠缠门，并成功将其应用于包含原子相干重排的非局域量子线路中。这一成果在单门保真度和线路复杂度两个维度上同步推进，为构建大深度、容错量子计算提供了切实可行的技术路径。
高保真纠缠门：多项技术协同降低误差
研究团队基于可重构中性原子量子处理器架构，利用铷-87原子的长寿命超精细时钟态编码量子信息，通过主量子数n=53的里德堡态实现纠缠门操作。
在技术方案上，团队采用了基于最优控制理论设计的高Rabi频率（峰值约2π×17 MHz）平滑振幅脉冲，有效抑制了中间激发态的非共振散射误差。同时引入态选择性读出与量子比特复用机制实现快速校准，结合从大型原子储池中补充丢失原子的策略，保障了系统的连续运行能力。实验结果显示，CZ门原始保真度达到99.854(4)%；引入损耗后选择（loss postselection）后，保真度进一步提升至99.941(3)%。
图1：中性原子量子处理器中通过平滑振幅脉冲实现的快速控制相位（CZ）纠缠门，以及利用原子补充和原子丢失解析读取技术实现快速校准与低误差率基准测试的实验方案与结果。
长期运行稳定性：超过10小时无需重新校准
尤为关键的是，该门性能在超过10小时的连续运行中保持高度稳定，无需任何重新校准。研究团队对约200万次随机基准测试序列进行了统计分析，发现无论原始返回概率还是损耗后选择返回概率均服从泊松分布，未观察到跨越整个系统的大规模关联错误事件。这一稳定性表明，具备足够激光稳定性的中性原子器件可在被动条件下长时间维持高保真运行。
需要明确的是，所谓“10小时稳定性”指的是纠缠门保真度在无重新校准条件下随时间的保持能力（论文原文以“stability…over long durations…without any recalibration”描述门在没有任何重新校准的情况下超过约10小时稳定保持约99.85%保真度，指的是这套装置的长期稳定运行时长，并非量子态的相干演化时长），而非量子态相干时间，也不是单个原子的囚禁寿命。
它衡量的是：门参数校准完成后，系统无需重新校准即可将约99.85%的CZ门保真度持续维持超过10小时（图2D由回波随机基准测试逐点拟合得到；在含原子运动的团簇态线路中更连续运行15小时仍保持高位）。这本质上是里德堡激光器稳频、磁场与光阱参数等工程层面的长期可靠性；其实现依赖损耗分辨的态选择性读出与量子比特复用，使校准足够快（一次原子装载可跑约80个循环、速率20-30 Hz），且从零校准仅需不到40分钟、校准参数随后保持稳固。
与之严格区分的是：单个原子在光镊中的囚禁寿命通常只有几十秒量级；因此“10小时”并不意味着原子能被连续囚禁或量子信息能被相干存储10小时，而是指这套产生高保真纠缠门的装置能长时间稳定地重复工作，二者不可混淆。
图2：中性原子处理器中稳定且低误差的CZ纠缠门性能，其中图2D重点展示了CZ门保真度在超过10小时的运行时间内保持高度稳定、无需重新校准的能力。
从单门到多体线路：验证动态重排与非局域线路
在线路层面，研究组将低误差门应用于含原子运动的量子线路中。团队在静态SLM光阱与AOD移动光阱之间执行CZ门操作，成功创建并解离了20原子团簇态以验证多体线路性能，测得与门基准测试一致的99.843%原始保真度。实验还连续运行15小时验证了线路中的门稳定性。此外，团队构建了具备递增长程连接特性的非局域加扰线路，在10量子比特规模下观测到采样输出分布接近Porter-Thomas分布，20量子比特线路的交叉熵基准（XEB）与含噪声数值模拟结果吻合良好。整个量子处理器集成了多达442个原子量子比特。
图3：在引入原子运动（结合静态陷阱与移动陷阱）的情况下实现高保真度量子线路的性能，包括CZ门的保真度测量、一维团簇态的构建与解构协议、全局返回概率随CZ门层数的指数衰减，以及长达15小时无需重新校准的稳定性。
图4：具有非局域连接的高保真量子加扰线路的实现方案与性能验证，包括非局域量子线路结构、纠缠熵与交叉熵基准测试（XEB）的理论分析、不同线路中的单原子损耗率、10量子比特和20量子比特非局域线路的采样输出分布对比，以及不同非局域连接度下的实验与含噪理论XEB数值比较。
研究创新意义：高保真操控与系统稳定性协同推进
该研究的创新意义体现在多个维度。
首先是组合式技术整合：团队并非依赖单一突破，而是将高Rabi频率门、平滑振幅脉冲、选择性读出和量子比特复用等独立技术有机融合，形成了统一的误差抑制与快速校准方案。
其次是系统稳定性的实质性突破，10小时无重新校准的表现在中性原子平台中属首次，大幅降低了长时间量子计算任务的运维复杂度。
第三是从单门验证向多体线路验证的重要跨越——研究不止步于单门保真度提升，还在包含原子重排的动态线路中验证了门性能的一致性，更贴近真实量子计算场景。
最后，非局域加扰线路具有深远的物理意义，此类线路与黑洞信息悖论研究相关联，也为量子纠错的高效编码提供了理论工具。
仍存技术挑战：误差抑制、规模扩展与容错验证
尽管成果显著，该研究仍面临若干技术挑战。
在误差来源方面，数值误差模型显示，剩余误差主要来自中间激发态的非弹性散射、里德堡态有限寿命导致的衰减、基态—里德堡相干时间T₂*，以及向另一个里德堡能级|r′⟩的耦合。这些因素由物理机制决定，是进一步提升保真度必须克服的限制。当前99.854%的原始保真度与团队数值模型预测的99.9%至99.95%之间仍有差距，后者需要改善里德堡相干时间、抑制向|r′⟩的耦合，并提高可用激光功率。在系统鲁棒性方面，门对1015 nm里德堡光束功率变化的响应尺度约为0.1%，这对激光功率与位置的长期稳定提出了较高要求。
总体而言，Lukin团队的这项工作标志着中性原子量子计算在纠缠门保真度和线路复杂性上迈出了坚实一步。论文讨论部分指出，将这些技术扩展至更大阵列、结合高效光束整形和快速原子重排，有望实现高效量子纠错码在大数量逻辑比特上的运行。从物理量子比特的高保真操控到实用化容错量子计算，仍需在误差抑制、系统规模和逻辑比特编码等方面持续突破，但该研究无疑为中性原子平台确立了新的技术标杆。
