超导线路量子计算ABC

微波光子与超导量子电路的结合为量子技术和量子光-物质相互作用的基础研究提供了理想的载体。本月，《Nature Physics》的专辑聚焦了这一新兴研究领域。

量子力学的历史充满着激动人心的故事。但往往很容易陷入这样一个怪圈：将一个多世纪的研究归结为少数几个先驱的科学冒险这一老生常谈。

我们很清楚对于爱因斯坦或玻尔这一代人来说，操纵单个原子的想法近乎于科幻小说。然而，现代量子技术正是通过操控单量子水平量子效应的能力而得以实现的。但是，我们常常忽略了人们把量子物理从20世纪20年代的黑板上的公式发展到量子计算这一朝阳领域所付出的努力，这一话题甚至出现在了上个月达沃斯世界经济论坛的议程表上。

我们目前操控单量子体系的能力是二十世纪下半叶几十年研究的结晶。研究量子效应需要体系，比如量子二能级体系，是与周围环境以可控方式相互作用的孤立量子系统。只有这样，人们才能利用量子系统的状态来编码信息或用于诸如量子传感等任务。

历史上，第一次量子二能级体系，量子比特或者量子位，的研究焦点基于最“自然”的载体——原子和光子。事实上，正是在光腔中单原子和光子之间的光与物质相互作用（腔量子电动力学，Cavity Quantum Electrodynamics，简称CQED）体系中，物理学家们看到了单量子水平上最早、最生动的量子效应。

但量子位不必局限于自然系统——原则上，任何可表现为两能级的量子系统的东西都可以，例如人造原子。基于Josephson结的超导电路可以说是目前最流行的人工量子比特，最近它在通往量子计算道路上取得了里程碑式的进展，进一步彰显了它做为人工原子的成果。

就像原子一样，超导量子比特可在单量子水平上与（微波）光子相互作用。这种在电路层面上的光与物质相互作用表示出了巨大的潜力，无论是作为基础量子物理研究的实例，还是考虑到其潜在的应用。本月，我们专门展示了这一研究领域，重点关注circuit QED（通常简称cQED）。这一研究领域也是近几十年来基础和应用量子研究相互促进的一个典型事例。事实上，它的起源也是一个有教育意义的故事。

正如他们在本期评论中所述，当John M. Martinis、Michel Devoret和John Clarke首次于1985年展示Josephson结电路的量子行为时，他们的最初目标是探索一个基本物理问题：宏观自由度是否服从量子力学。这是一个具有启发意义的故事，从寻找一个几十年前物理学问题的答案开始，发展到现在各方媒体都在庆祝谷歌的超导量子计算成就。

当物理学家们获得了对超导电路量子态足够好的控制时，CQED和光与原子相互作已经进行了几十年的研究。顾名思义，cQED是站在CQED肩膀之上的，这两个研究领域就一直是互补的。Serge Haroche和他的同事们在本期文章中提供了一个历史性的回顾，从中可以看到这两个不同的平台是如何为物理现象提供同一视角的。

另外，本专辑还包括三个关于cQED现状的综述文章。他们总结了这一研究领域的广度，并预期这一领域在应用和基础物理学领域令人兴奋的未来发展。Alexandre Blais及其同事在本期的综述论文展现了该领域研究的综合性。他们从cQED系统研究量子信息处理和量子光学的基础---制备和操控量子态入手，随后讨论了量子纠错和可扩展量子计算架构的方法。

cQED的核心是处理一个所谓的混合量子系统：光和物质都失去了各自的独立性，结合成了一个新的东西。但事实证明，超导电路和微波谐振子可以进一步有效地与许多其他系统连接，例如机械谐振器或自旋系综。基于cQED的可能的混合量子系统是Aashish Clerk及其同事在本期发表的综述文章的主要关注点。   

尽管CQED一贯只关注光与物质的相互作用少体量子问题，但实验技术的持续进步也为在其中研究多体物理提供了可能：超导量子位成为诱导微波光子相互作用以及用光模拟物质的手段。Iacopo Carusotto和他的同事在本期的另一篇综述文章中详述了这一新想法和它的第一个实验实现，并讨论了通过超导电路构建的量子体系可以用来探索什么样的多体物理。 

基于单量子体系操控的技术前景对于20世纪20年代的物理学家来说一定是遥不可及的，而如今量子光与物质相互作用的基础研究使其成为现实。对量子技术的兴趣可能会促使更好量子位和实验装置的出现，这也将有望反过来帮助物理学家进行基础研究。

本文翻译自3月2日出版的《Nature Physics》cQED专辑的Editorial，点击阅读原文可连接到期刊网页。

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