光子盒研究院出品
在3月14日發(fā)表的一篇《自然·物理學(xué)》論文中[1]，奧地利科學(xué)院量子光學(xué)和量子信息研究所(IQOQI)的Gerhard Kirchmair團隊通過將超導(dǎo)量子比特與波導(dǎo)耦合，首次成功操縱了一種稱為“暗態(tài)”(dark state)的量子態(tài)。
與波導(dǎo)耦合的超導(dǎo)量子比特具有由光子介導(dǎo)的長程相互作用，導(dǎo)致集體態(tài)(collective state)的出現(xiàn)。量子比特之間的相消干涉將集體暗態(tài)與波導(dǎo)環(huán)境解耦。它們無法將光子發(fā)射到波導(dǎo)中，這使得暗態(tài)成為制備長壽命量子多體態(tài)和在開放量子系統(tǒng)中實現(xiàn)量子信息協(xié)議的寶貴資源。
論文第一作者Max Zanner說：“這些是與外界完全解耦的糾纏量子態(tài)，可以說，它們是看不見的，這就是為什么它們被稱為暗態(tài)。”
然而，暗態(tài)也與驅(qū)動波導(dǎo)的磁場分離，使得操縱它們成為一項挑戰(zhàn)。到目前為止，還不可能在不破壞它們的不可見性的情況下適當?shù)乜刂坪筒倏v這些暗態(tài)?，F(xiàn)在，由Gerhard Kirchmair領(lǐng)導(dǎo)的團隊開發(fā)了一個系統(tǒng)，可以從外部操縱微波波導(dǎo)中超導(dǎo)電路的暗態(tài)。
他們將四個超導(dǎo)量子比特構(gòu)建到微波波導(dǎo)中，并通過兩個橫向入口連接控制線。通過這些線使用微波輻射，他們可以操縱暗態(tài)。這四個超導(dǎo)電路一起構(gòu)成了一個強大的量子比特，其存儲時間大約是單個電路的500倍。該量子比特中同時存在多個暗態(tài)，可用于量子模擬和量子信息處理。
在本次工作中，該團隊展示了通過控制四個超導(dǎo)量子比特和本地驅(qū)動器之間的相互作用來實現(xiàn)集體暗態(tài)的相干控制。
具有基態(tài)|g〉和激發(fā)態(tài)|e〉的量子比特的退相干率由其線寬給出。量子比特退相干率Γ=(γ+γnr)/2+γφ是波導(dǎo)模式的輻射衰變γ、非輻射能量損耗γnr以及純失相γφ的總和。
當量子比特耦合到波導(dǎo)時，研究人員可以通過測量波導(dǎo)的透射或反射在散射實驗中提取線寬，從而獲得γ和非輻射退相干率γ’nr=γnr/2+γφ。
如圖1(a)所示，左邊是光子晶體波導(dǎo)中的自然原子。右邊是作為人工原子的transmon量子比特與模式連續(xù)體耦合。在強耦合極限下，波導(dǎo)中的衰變γ超過非輻射損耗γ’nr。
圖1(d)所示的裝置由四個頻率可調(diào)諧的transmon量子比特組成，充當人造原子。量子比特Q1和Q2位于左側(cè)，更接近波導(dǎo)的輸入端。量子比特Q3和Q4位于右側(cè)，更靠近波導(dǎo)的輸出端，這些量子比特對之間的物理間距為dy=(46.0±0.5)mm。對中的兩個量子比特之間的間距為dx=1mm，這會產(chǎn)生電容耦合。基本波導(dǎo)模式TE01的截止頻率為ωc/2π=6.55GHz，電場的極化平行于transmon的偶極矩，因此量子比特可以有效地耦合到波導(dǎo)。
根據(jù)電磁環(huán)境的對稱性，多量子比特集體態(tài)根據(jù)各自的對稱性獲得超輻射或亞輻射行為。如圖1(b)所示，集體態(tài)的對稱性由代表同相和異相振蕩躍遷偶極矩的箭頭表示。
對于間隔為d=λ/2的兩個量子比特，暗態(tài)是對稱疊加|Dnl〉=(|eg〉+|ge〉)/√2，亮態(tài)|Bnl〉=(|eg〉-|gei)/√2是反對稱疊加。如圖1所示，波導(dǎo)中的相位和振幅用紅色和藍色陰影區(qū)域繪制。
此外，兩個沿傳播方向沒有分離的直接耦合量子比特，形成反對稱暗態(tài)|D1(2)〉=(|eg〉-|ge〉)/√2和對稱亮態(tài)|Bloc〉=(|eg〉+|ge〉)/√2。與波導(dǎo)介導(dǎo)的耦合相比，亮態(tài)和暗態(tài)的能量簡并以相干交換耦合率的兩倍2J提升。如圖1(c)所示。
然后，如圖1(e)所示，原地配對的兩個transmon亮態(tài)通過波導(dǎo)相互作用形成衰變率為4Γ的四量子比特暗態(tài)|D3〉和亮態(tài)|B4〉。成對暗態(tài)|D1〉、|D2〉停留在原地，不與波導(dǎo)或另一對相互作用。
圖1 實驗概述
圖2 實驗裝置
最終，這個暗態(tài)對退相干的保護導(dǎo)致衰變時間超過波導(dǎo)限制的單個量子比特兩個數(shù)量級(約500倍)以上，換句話說，量子比特存儲時間提高了500倍。
這個成功的實驗為進一步研究暗態(tài)及其可能的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。就目前而言，這些研究主要集中在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，關(guān)于這些量子系統(tǒng)的性質(zhì)仍有許多懸而未決的問題。該團隊提出的控制暗態(tài)的概念原則上不僅可以用超導(dǎo)量子比特實現(xiàn)，還可以在其他技術(shù)平臺上實現(xiàn)。Gerhard Kirchmair強調(diào)：“我們使用的電路功能類似于人造原子，與真實原子相比具有優(yōu)勢，真實原子更難與波導(dǎo)進行強耦合?！?/span>
參考鏈接：
[1]https://www.nature.com/articles/s41567-022-01527-w
[2]https://www.sciencedaily.com/releases/2022/03/220314120718.htm
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