Två oberoende forskargrupper har var för sig visat på kollisionsbaserade kvantgrindar med hjälp av fermioniska atomer: en länge efterlängtad milstolpe inom kvantdatortekniken, där logiska operationer utförs genom att atomerna direkt överlappar varandra fysiskt, istället för att tvingas in i ömtåliga, högt exciterade tillstånd.
Studierna har publicerats samtidigt i Nature: den första ledd av Petar Bojović vid Max Planck-institutet för kvantoptik i Garching, Tyskland, och den andra av Yann Kiefer och kollegor vid ETH Zürich, Schweiz.
Kampen om tillförlitliga grindar
Som byggstenar i kvantdatorer är kvantgrindar de grundläggande logiska operationerna som manipulerar kvantbitar (kvantmotsvarigheterna till klassiska bitar). I de senaste arkitekturerna implementeras de med hjälp av atomer som kortvarigt exciteras till Rydberg-tillstånd: löst bundna, mycket utsträckta konfigurationer. Dessa atomer är dock känsliga för störningar från brus i omgivningen, vilket gör dem svåra att skala upp.
Däremot är kollisionskvantgrindar logiska operationer där kvantbitar interagerar genom direkt fysisk överlappning av sina vågfunktioner. De har länge ansetts önskvärda för kvantberäkning eftersom de bygger på en relativt stabil fysikalisk mekanism snarare än ömtåliga Rydberg-tillstånd.
En av de mest lovande vägarna för att implementera dessa grindar ligger i fermioner, inklusive elektroner och protoner. Denna partikelklass följer ”Paulis uteslutningsprincip”, som förbjuder två identiska fermioner att uppta samma kvanttillstånd samtidigt. Denna begränsning fungerar som ett naturligt skydd mot vissa grindfel, vilket gör fermioner till en attraktiv byggsten.
Trots förslag som går tillbaka till slutet av 1990-talet har forskare dock konsekvent kämpat med att implementera dessa fermioniska grindar i praktiken. Hittills har deras försök begränsats av överdriven uppvärmning från laserljus, i kombination med oförmågan att avbilda enskilda kvantbitar med tillräcklig precision.
Grindar med fermioniska atomer
För att ta itu med dessa utmaningar började både Bojovićs och Kiefers team med atomer av litium-6 – en fermionisk isotop. De håller atomerna i optiska gitter: periodiska strukturer bildade av korsande laserstrålar som fångar in atomer med regelbundna mellanrum. Utifrån denna ram valde de två teamen något olika tillvägagångssätt.
I sin studie kontrollerade det tyska teamet interaktionerna mellan kvantbitar genom att manipulera potentialbarriärerna som separerar angränsande atomer, med hjälp av ett extremt stabilt optiskt gitter tillsammans med ett kvantgasmikroskop, som kan upplösa enskilda atompositioner.
Däremot kontrollerade det schweiziska teamet hur starkt kvanttillstånden hos angränsande atomer kopplas samman genom att justera ”förspänningen”. Enligt teamet gjorde denna metod grinden i sig mer motståndskraftig mot brus, med en robusthet som grundar sig på grundläggande symmetriska egenskaper snarare än noggrann experimentell finjustering.
Högkvalitativ kvantförveckling
I båda fallen uppnådde teamen två-qubit-grindar som kunde generera kvantentanglement med en noggrannhet på över 99 %. Medan Bojovićs team registrerade en toppnoggrannhet på 99,75 %, uppnådde Kiefers team ett förlustkorrigerat värde på 99,91 % i ett system med mer än 17 000 atompar. Båda resultaten överstiger med råge den tröskel som generellt anses nödvändig för kvantfelkorrigering.
Tillsammans utgör resultaten ett starkt argument för att kollisionsgrindar baserade på fermioniska atomer skulle kunna komplettera, och potentiellt till och med överträffa, de senaste plattformarna för kvantberäkning.
Forskare inom kvantkemi är redan intresserade av metodens potential att simulera molekylärt beteende, och båda teamen arbetar nu mot att demonstrera kompletta uppsättningar av kvantlogiska operationer: en förutsättning för en fullt programmerbar kvantdator.
Publiceringsuppgifter
Petar Bojović et al, High-fidelity collisional quantum gates with fermionic atoms, Nature (2026). DOI: 10.1038/s41586-026-10356-3
Yann Kiefer et al, Protected quantum gates using qubit doublons in dynamical optical lattices, Nature (2026). DOI: 10.1038/s41586-026-10285-1
