科学家成功操纵“暗态”量子态，量子位存储时间提升500倍

近日，科学家首次在超导量子电路中，成功操纵一种被称为“暗态”的量子态。“暗态”的鲁棒性(Robust，可意译为稳健性)约为单个超导量子电路的500倍，可用于量子模拟和量子信息处理。

图片来自Mathiue Juan

当超导量子位被耦合到波导上，通过由光子介导的长程相互作用，会产生集体态(collective states)。然后，量子位之间的相消干涉将集体“暗态”与波导环境解耦，因此无法将光子发射到波导中。这使得“暗态”有利于制备长寿命量子多体纠缠态和在开放量子系统中实现量子信息协议。

“这些纠缠量子态与外界完全解耦，”论文第一作者、因斯布鲁克大学Max Zanner说道，“可以说这些量子态是看不见的，这就是它们为什么被称为‘暗态’。”

但“暗态”在与波导环境解耦时，也会与驱动波导的电场解耦，这使得控制与操纵“暗态”成为一项挑战。此前，科学家无法在不破坏“暗态”不可见性的情况下操控它们。

对此，奥地利科学院量子光学与量子信息研究所(IQOQI)Gerhard Kirchmair教授团队开发出一种量子系统，可以从外部操纵在微波波导中的超导电路“暗态”。相关成果近日发表于《自然·物理学》期刊。

实验装置，图片来自论文

该团队在微波波导中构建了四个超导量子位，并通过两个横向入口连接控制线。通过这些控制线，使用微波辐射操纵“暗态”。这四个超导电路形成了一个稳固的量子位，其存储时间大约是单个电路的500倍。该量子位中同时存在多个“暗态”，可应用于量子模拟和量子信息处理。芬兰奥卢大学纳米和分子系统研究组Matti Silveri表示“原则上，这个系统可以任意扩展。”

这个实验为进一步研究“暗态”及其潜在应用奠定了基础。目前，科学家对“暗态”的研究主要集中在基础研究领域，但对于“暗态”量子系统的性质仍有许多悬而未决的问题。该团队控制“暗态”的实验理念原则上不仅能在超导量子位上实现，还可以在其他技术平台上实现。此项研究获得了奥地利科学基金FWF、芬兰科学院和欧盟等多方资助。