近日，科學(xué)家首次在超導(dǎo)量子電路中，成功操縱一種被稱為“暗態(tài)”的量子態(tài)。“暗態(tài)”的魯棒性(Robust，可意譯為穩(wěn)健性)約為單個超導(dǎo)量子電路的500倍，可用于量子模擬和量子信息處理。

圖片來自Mathiue Juan

當(dāng)超導(dǎo)量子位被耦合到波導(dǎo)上，通過由光子介導(dǎo)的長程相互作用，會產(chǎn)生集體態(tài)(collective states)。然后，量子位之間的相消干涉將集體“暗態(tài)”與波導(dǎo)環(huán)境解耦，因此無法將光子發(fā)射到波導(dǎo)中。這使得“暗態(tài)”有利于制備長壽命量子多體糾纏態(tài)和在開放量子系統(tǒng)中實現(xiàn)量子信息協(xié)議。

“這些糾纏量子態(tài)與外界完全解耦，”論文第一作者、因斯布魯克大學(xué)Max Zanner說道，“可以說這些量子態(tài)是看不見的，這就是它們?yōu)槭裁幢环Q為‘暗態(tài)’?！?/p>

但“暗態(tài)”在與波導(dǎo)環(huán)境解耦時，也會與驅(qū)動波導(dǎo)的電場解耦，這使得控制與操縱“暗態(tài)”成為一項挑戰(zhàn)。此前，科學(xué)家無法在不破壞“暗態(tài)”不可見性的情況下操控它們。

對此，奧地利科學(xué)院量子光學(xué)與量子信息研究所(IQOQI)Gerhard Kirchmair教授團(tuán)隊開發(fā)出一種量子系統(tǒng)，可以從外部操縱在微波波導(dǎo)中的超導(dǎo)電路“暗態(tài)”。相關(guān)成果近日發(fā)表于《自然·物理學(xué)》期刊。

實驗裝置，圖片來自論文

該團(tuán)隊在微波波導(dǎo)中構(gòu)建了四個超導(dǎo)量子位，并通過兩個橫向入口連接控制線。通過這些控制線，使用微波輻射操縱“暗態(tài)”。這四個超導(dǎo)電路形成了一個穩(wěn)固的量子位，其存儲時間大約是單個電路的500倍。該量子位中同時存在多個“暗態(tài)”，可應(yīng)用于量子模擬和量子信息處理。芬蘭奧盧大學(xué)納米和分子系統(tǒng)研究組Matti Silveri表示“原則上，這個系統(tǒng)可以任意擴(kuò)展。”

這個實驗為進(jìn)一步研究“暗態(tài)”及其潛在應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。目前，科學(xué)家對“暗態(tài)”的研究主要集中在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，但對于“暗態(tài)”量子系統(tǒng)的性質(zhì)仍有許多懸而未決的問題。該團(tuán)隊控制“暗態(tài)”的實驗理念原則上不僅能在超導(dǎo)量子位上實現(xiàn)，還可以在其他技術(shù)平臺上實現(xiàn)。此項研究獲得了奧地利科學(xué)基金FWF、芬蘭科學(xué)院和歐盟等多方資助。