利用动态光晶格中的量子比特双胞胎实现受保护的量子门

量子计算中基于中性原子光晶格的双原子态几何演化SWAP门研究，通过费米子交换反对称性和动态光晶格实现无动态相位的几何量子相干，抗干扰计算保真度达99.91%，结合拓扑泵送技术为大规模量子处理器发展提供新路径。

摘要

量子计算是现代科学中的一个核心挑战。光学晶格中的中性原子已成为一种领先的计算平台，其中碰撞门为量子逻辑提供了稳定的实现机制^{1,2,3,4,5,6,7,8,9,10}。然而，之前的实验将超冷碰撞视为一个需要动态微调的过程^{11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22}，这掩盖了实现本质上稳健操作所必需的量子几何结构和量子统计特性。在这里，我们提出并通过实验验证了一种纯几何学的双量子比特SWAP门：该方法通过动态光学晶格中的费米子原子短暂激发双量子比特态来实现。这些双量子比特态的存在，加上费米子的交换反对称性，使得量子系统具有“量子全纯性”——即一种没有动态相变的几何演化过程²³。这种门机制本质上能够抵御限制势场的波动和不均匀性。通过哈密顿量的时间反演和对称性，该门的鲁棒性得到了进一步增强。我们通过实验验证了这种特殊的保护效果，整个系统（包含超过17,000对原子）的幅度保真度达到了99.91(7)%（经过损耗校正）。结合最近开发的用于原子传输的拓扑泵浦方法¹⁶，我们的成果为大规模、高度互联的量子处理器的发展铺平了道路。这项工作引入了一种新的量子逻辑模型，它将基本对称性（包括量子统计特性）转化为一种强大的容错计算资源。