用费米原子实现高精度量子碰撞门

本文报道了一种基于超冷费米原子（锂-6）的高保真度量子逻辑门实现方案。研究人员利用光晶格中的超晶格结构，将单个晶格点精确分裂为双势阱，并在其中囚禁两个自旋相反的费米原子。通过精细调控激光强度和磁场，他们实现了对原子间相互作用的精确控制，从而执行两类关键量子操作：一是自旋交换门（影响原子自旋状态），二是关联成对隧穿门（影响原子占据的电荷分布）。实验采用量子气体显微镜进行单格点、单自旋分辨的荧光成像，直接观测并验证了门操作效果。结果表明，所实现的√SWAP纠缠门保真度高达99.75(6)%，产生的贝尔态寿命超过10秒——比门操作本身长四万倍。这种超长相干时间源于费米子自旋对磁场噪声的天然鲁棒性。研究还创新性地设计了一种复合脉冲序列（由两次相互作用门加一次电荷敏感的倾斜门组成），成功分离并纯化出仅作用于电荷自由度的“成对交换门”，这是量子化学模拟中构造双激发态的核心操作。该工作不仅显著提升了中性原子量子计算的性能上限，更首次打通了“模拟量子模拟器”（擅长处理强关联物理）与“数字量子计算机”（擅长精确编程）之间的桥梁：在近期内，这些门可用于增强现有模拟器的状态制备与读出能力；长远看，则有望支撑全数字化的费米子量子计算、变分量子化学求解，乃至格点规范场理论的模拟。其核心优势在于：天然以费米子为基本单元，自动满足泡利不相容原理，避免非物理解；无需额外编码即可守恒粒子数和磁化强度；且可自然扩展至大规模多比特系统。