蘇黎世聯邦理工學院（ETH Zurich）的研究人員透過中性原子量子位元（qubits）取得重大突破，令其在運作期間比以往更穩定，從而邁向量子超級電腦邁進一步。研究團隊亦開發出一種新型量子運作方式，推動量子運算發展。量子電腦被視為運算領域的下一個前沿，能夠實現傳統矽基電腦無法達到的運算速度。量子電腦的核心能力來自量子位元（qubits），它們可同時處於 0、1 或兩者的疊加狀態（superposition）。
量子電腦亦使用運算閘（gates），讓 qubits 在這些狀態間切換並並行執行運算。其中一種對量子運作至關重要的閘為交換閘（swap gate），可讓兩個 qubits 交換量子狀態。
### 幾何相位量子交換
運算閘的不穩定性從何而來？交換閘依賴隧道效應（tunnel effect）運作，即粒子能以經典物理無法理解的方式穿越障礙；量子電腦同時使用原子高度激發的電子狀態。
這一切取決於懸浮構成 qubits 原子之雷射的強度和可調性。雷射時序或強度的任何波動均會引入系統錯誤，令這些閘不穩定。傳統位元（bits）的錯誤率通常為萬億分之一，但 qubits 的錯誤率則高達千分之一。
為克服此問題，ETH Zurich 研究人員利用一種更細微的幾何相位（geometric phase）效應，透過原子在由交錯雷射束構築的人工「光晶體」中行進的路徑來實現。
「雷射光不過是單色電磁輻射，」ETH Zurich 量子電子學研究所博士後研究員 Yann Hendrick Kiefer 向一主要科學媒體表示。「若將中性原子置於此電場內，會誘發偶極矩（dipole moment），產生力道讓我們固定原子位置。」
當兩個鉀原子在這種設置中被拉近至量子波重疊時，它們的聯合狀態會因相對運動而改變。由於輸出不再依賴原子移動速度或雷射功率，而是系統整體路徑，因此較不易受外部干擾影響，從而更穩定。
研究團隊在包含 17,000 對 qubits 的系統中證明此方法的優越性。他們的交換閘在 1 毫秒（千分之一秒）內運作，精度達 99.1 %。研究人員亦成功建立「半交換閘」（half-swap gates），僅部分交換 qubits 而非完全交換，這對執行真實量子演算法至關重要。完整交換僅移動資訊，而半交換不僅交換資訊，還能在 qubits 間建立相關性，這是經典位元無法做到的事。
Kiefer 樂觀認為，此方法可助以僅 10,000 個 qubits 解決如 Shor 演算法等問題，而非先前研究人員假設的數百萬個。雖然此類量子超級電腦短期內不會部署，但此研究令我們更接近現實。研究成果已刊登於 Nature。