摘要：两量子比特纠缠门的物理误差是制约量子线路深度与容错计算效率的主导瓶颈。美国哈佛大学 Mikhail D. Lukin 团队与合作者在中性原子量子处理器上，结合拉比频率平滑脉冲控制与状态选择性快速标定，将受控 Z（CZ）纠缠门的原始保真度提升至 99.854(4)%，剔除原子丢失后的后选择保真度达到 99.941(3)%，实现最高纠缠门记录，并在连续 10 小时内稳定保持。该团队进一步标定原子运动重排的光阱匹配，在 20 比特团簇态制备与长程非局域加扰线路中验证了纠缠操作的高保真度与交叉熵基准测试结果。相关成果于10月8日发表在国际权威学术期刊《Science》上[1]。
Credit: Science
在量子信息处理与容错量子计算中，将双量子比特门误差降至 0.1% 附近，通常被视为高效运行量子纠错码的关键门槛。中性原子光镊阵列凭借长程相干移动与灵活的非局域连通性，成为当前量子硬件的重要路线之一。
本项研究使用的实验平台，建立在可重构中性原子处理器的硬件架构之上。该处理器此前用于实现逻辑量子比特处理与低于阈值的表面码运算[2]。在前期工作中，系统已具备了基于自旋到位置转换的状态选择性读出能力。新研究在此架构基础上，重点攻克纠缠门本身的物理误差与长时稳定性。
为了压低双量子比特受控 Z（CZ）门的固有物理误差，研究团队从脉冲控制和光场环境入手做了针对性改进。他们将双光子激发的峰值拉比频率提升到约 2π × 17 兆赫兹，大幅压缩门操作时间，以此抑制有限里德伯态寿命引起的自发辐射衰减。激发波形采用基于最优控制理论设计的平滑幅度与相位调制，减少中间激发态的非共振散射。同时，高拉比频率容易激发相邻的里德伯塞曼子能级，实验通过施加更强的静态磁场拉大塞曼分裂，将临近能级推远，避免这一问题。此外，严格稳定系统的里德伯激光光斑位置与功率，将微小功率漂移控制在 0.1% 以内，以维持基态与里德伯态之间的相干时间。
装置最多容纳 442 个铷-87 原子量子比特，在空间上划分为计算区、读出区与原子存储区。实验利用存储区及时补充丢失原子并复用未受损比特，单轮原子装载可在 20 至 30 赫兹速率下循环重复 40 至 80 次。这种快速循环机制使得整套 CZ 门的参数校准能在 40 分钟以内自动完成。
图 1 说明：(A) 平滑幅度 CZ 门的脉冲波形与能级结构。拉比频率包络 Ω/2π 在约 130 纳秒内呈钟形，峰值约 2π × 17 兆赫兹；同步施加的双光子失谐 δ/2π 从约 −10 兆赫兹升到约 −1 兆赫兹。能级图给出从 |1⟩ 经中间态 |e⟩ 到里德伯态 |r⟩ 的双光子激发路径。(B) 处理器分区成像，上方为原子储库，中间为丢失分辨读出区，下方为门位点阵列，箭头标出从储库补装丢失原子。(C) 快速标定过程，随机基准测试在同一轮原子装载内循环 40 至 80 次，标定约 40 分钟后原始误差降到约 2×10⁻³，丢失后选择误差降到约 5×10⁻⁴
研究团队使用全局回波随机基准测试（echo RB）与对称稳定子基准yz测试（SSB）评估门性能。测得 CZ 门的原始保真度为 99.854(4)%，后选择排除原子丢失后的保真度达到 99.941(3)%。在总门误差中，原子丢失误差为 0.087(5)%，占总误差的约 60%。单原子单门丢失概率为 0.054(2)%，表现出强烈的双原子关联丢失特性。自旋-位置转换读出可直接检出这些丢失事件，为纠错译码器提供擦除信息。
图 2 说明：(A) 两种基准测试协议：全局回波随机基准测试（Echo RB）与对称稳定子基准测试（SSB）。(B) 回返概率随 CZ 门数的衰减，指数拟合给出原始保真度 99.854(4)%，丢失后选择保真度 99.941(3)%。(C) 不同读出方式（读出前加与不加额外的单比特 π 脉冲、共振吹出与态选择性读出）与不同基准方法测得的保真度一致。(D) 标定后 10 小时内的稳定性，原始保真度约 99.85%，丢失后选择保真度约 99.94%。(E) 每次重复的误差数分布，服从泊松分布。(F) 1015 纳米里德伯光束功率改变（±0.6%）时的保真度变化，门脉冲参数保持不变
在未经重新校准的情况下，系统连续运行超过 10 小时，门保真度稳定保持在约 99.85%。约 200 万次测试序列的误差统计服从泊松分布，未观测到大范围关联错误。
图 3 说明：(A) 里德伯纠缠门的误差来源：中间态散射 γₑ、里德伯态寿命衰减 γᵣ、基态与里德伯态之间的相干 T₂，以及与相邻里德伯态 |r′⟩ 的耦合。(B) 数值误差预算。横轴依次为 420 纳米激光的 T₂、多普勒效应、1015 纳米激光的 T₂、与 |r′⟩ 的耦合、里德伯态寿命 T₁、中间态散射、总计与实验实测；三种配置分别是当前配置、T₂ 改善 2 倍且无 |r′⟩ 耦合、激光功率提高 3 倍。当前配置下，里德伯态寿命与中间态散射各约 0.045%，合计约占总误差的七成
在实际可重构线路中，原子需要在空间中物理移动。研究团队将基准测试扩展至包含原子运动的真实线路。在纯静态测试中，两原子均位于空间光调制器（SLM）生成的固定光阱中，间距约 1.7 微米。在动态线路中，门操作转由 SLM 固定阱与声光偏转器（AOD）移动阱配合完成。为了消除运动带来的环境失配，实验对准了两套光阱的焦平面，并精确控制移动阱停靠位置，使全阵列各位点的成对间距均一稳定。
研究团队反复制备 20 比特一维团簇态。在动态重排条件下，测得 CZ 门原始保真度为 99.843(6)%，后选择保真度为 99.956(5)%，与纯静态门表现相当。该多比特线路在无需重新校准的情况下稳定运行了 15 小时。
图 4 说明：(A) 一个原子在空间光调制器（SLM）的静态光镊、另一个在声光偏转器（AOD）的移动光镊中时测得的 CZ 门保真度：原始约 99.85%，丢失后选择约 99.94%。(B) 反复制备与解缠结一维团簇态的协议。(C) 20 比特阵列的全局回返概率随 CZ 门层数的衰减，拟合给出原始门保真度 99.843(6)%，丢失后选择保真度 99.956(5)%。(D) 拟合衰减随时间的变化，15 小时内不做重新校准
为了进一步检验复杂长程连通性下的整机性能，研究团队设计了一类包含变程 CZ 门与单比特旋转的混沌非局域线路。该线路使量子信息发生超弹道式扰动，其半系统纠缠熵随着线路深度以√N标度迅速饱和至Page熵。在 20 比特长程穿梭纠缠中，单比特单门丢失率依然维持在约 0.05% 的低水平。
对输出量子态的采样验证了线路的纠缠质量。10 比特小规模线路的实测概率分布吻合随机态预期的 Porter-Thomas 分布；20 比特系统通过分箱采样测定了交叉熵基准测试（XEB）指标。在不同线路深度下，实验测得的 XEB 数值与考虑实际实验噪声的理论模拟高度一致，证实了高保真度门在深层多体非局域线路中的可控性。
图 5 说明：(A) 非局域量子线路，CZ 门的连通距离随层数增加，层间插入单比特旋转 R = X(π/4)；右侧为 20 比特线路的连通关系，线路下方标出非局域度 1、3、5、7。(B) 理论结果，理想交叉熵基准值随非局域度增加从约 2.7 收敛到 1，半系统纠缠熵上升并饱和到佩奇熵。(C) 随机基准测试、团簇态线路与非局域线路中单比特单门丢失率分别约 0.054%、0.062% 与 0.058%。(D) 10 比特线路的输出概率分布与 Porter-Thomas 分布对比。(E) 20 比特线路按概率分箱的输出分布与带噪模拟对比。(F) 不同非局域度下实测的 XEB 与带噪模拟，深色为原始数据，浅色为丢失后选择结果
数值误差模型分析表明，当前 CZ 门剩余的物理误差依然主要由里德伯态寿命和中间态散射主导。论文指出，随着激光功率进一步提升和相干时间延长，原始保真度有望推进至 99.9% 至 99.95%。这一保真度水平相比此前表面码演示错误率下降1/3，结合原子丢失检测能力，将为实现容错逻辑门操作与高码率量子纠错码铺平道路。
参考文献：
1. S. J. Evered et al., “High-fidelity entangling gates and nonlocal circuits with neutral atoms,” Science 394, 197–201 (2026). DOI: 10.1126/science.aei1312
2. D. Bluvstein et al., “A fault-tolerant neutral-atom architecture for universal quantum computation,” Nature 649, 39–46 (2026). DOI: 10.1038/s41586-025-09848-5