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

圖片來自Mathiue Juan

當超導量子位被耦合到波導上，通過由光子介導的長程相互作用，會產生集體態(collective states)。然后，量子位之間的相消干涉將集體“暗態”與波導環境解耦，因此無法將光子發射到波導中。這使得“暗態”有利于制備長壽命量子多體糾纏態和在開放量子系統中實現量子信息協議。

“這些糾纏量子態與外界完全解耦，”論文第一作者、因斯布魯克大學Max Zanner說道，“可以說這些量子態是看不見的，這就是它們為什么被稱為‘暗態’。”

但“暗態”在與波導環境解耦時，也會與驅動波導的電場解耦，這使得控制與操縱“暗態”成為一項挑戰。此前，科學家無法在不破壞“暗態”不可見性的情況下操控它們。

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

實驗裝置，圖片來自論文

該團隊在微波波導中構建了四個超導量子位，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”。這四個超導電路形成了一個穩固的量子位，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”，可應用于量子模擬和量子信息處理。芬蘭奧盧大學納米和分子系統研究組Matti Silveri表示“原則上，這個系統可以任意擴展。”

這個實驗為進一步研究“暗態”及其潛在應用奠定了基礎。目前，科學家對“暗態”的研究主要集中在基礎研究領域，但對于“暗態”量子系統的性質仍有許多懸而未決的問題。該團隊控制“暗態”的實驗理念原則上不僅能在超導量子位上實現，還可以在其他技術平臺上實現。此項研究獲得了奧地利科學基金FWF、芬蘭科學院和歐盟等多方資助。