科学家成功操纵“暗态”，将量子比特存储时间提升500倍

光子盒研究院出品

在3月14日发表的一篇《自然·物理学》论文中[1]，奥地利科学院量子光学和量子信息研究所(IQOQI)的Gerhard Kirchmair团队通过将超导量子比特与波导耦合，首次成功操纵了一种称为“暗态”(dark state)的量子态。

与波导耦合的超导量子比特具有由光子介导的长程相互作用，导致集体态(collective state)的出现。量子比特之间的相消干涉将集体暗态与波导环境解耦。它们无法将光子发射到波导中，这使得暗态成为制备长寿命量子多体态和在开放量子系统中实现量子信息协议的宝贵资源。

论文第一作者Max Zanner说：“这些是与外界完全解耦的纠缠量子态，可以说，它们是看不见的，这就是为什么它们被称为暗态。”

然而，暗态也与驱动波导的磁场分离，使得操纵它们成为一项挑战。到目前为止，还不可能在不破坏它们的不可见性的情况下适当地控制和操纵这些暗态。现在，由Gerhard Kirchmair领导的团队开发了一个系统，可以从外部操纵微波波导中超导电路的暗态。

他们将四个超导量子比特构建到微波波导中，并通过两个横向入口连接控制线。通过这些线使用微波辐射，他们可以操纵暗态。这四个超导电路一起构成了一个强大的量子比特，其存储时间大约是单个电路的500倍。该量子比特中同时存在多个暗态，可用于量子模拟和量子信息处理。

在本次工作中，该团队展示了通过控制四个超导量子比特和本地驱动器之间的相互作用来实现集体暗态的相干控制。

具有基态|g〉和激发态|e〉的量子比特的退相干率由其线宽给出。量子比特退相干率Γ=(γ+γ_nr)/2+γ_φ是波导模式的辐射衰变γ、非辐射能量损耗γ_nr以及纯失相γ_φ的总和。

当量子比特耦合到波导时，研究人员可以通过测量波导的透射或反射在散射实验中提取线宽，从而获得γ和非辐射退相干率γ’_nr=γ_nr/2+γ_φ。

如图1(a)所示，左边是光子晶体波导中的自然原子。右边是作为人工原子的transmon量子比特与模式连续体耦合。在强耦合极限下，波导中的衰变γ超过非辐射损耗γ’_nr。

图1(d)所示的装置由四个频率可调谐的transmon量子比特组成，充当人造原子。量子比特Q1和Q2位于左侧，更接近波导的输入端。量子比特Q3和Q4位于右侧，更靠近波导的输出端，这些量子比特对之间的物理间距为d_y=(46.0±0.5)mm。对中的两个量子比特之间的间距为d_x=1mm，这会产生电容耦合。基本波导模式TE₀₁的截止频率为ω_c/2π=6.55GHz，电场的极化平行于transmon的偶极矩，因此量子比特可以有效地耦合到波导。

根据电磁环境的对称性，多量子比特集体态根据各自的对称性获得超辐射或亚辐射行为。如图1(b)所示，集体态的对称性由代表同相和异相振荡跃迁偶极矩的箭头表示。

对于间隔为d=λ/2的两个量子比特，暗态是对称叠加|D_nl〉=(|eg〉+|ge〉)/√2，亮态|B_nl〉=(|eg〉-|gei)/√2是反对称叠加。如图1所示，波导中的相位和振幅用红色和蓝色阴影区域绘制。

此外，两个沿传播方向没有分离的直接耦合量子比特，形成反对称暗态|D₁₍₂₎〉=(|eg〉-|ge〉)/√2和对称亮态|B_loc〉=(|eg〉+|ge〉)/√2。与波导介导的耦合相比，亮态和暗态的能量简并以相干交换耦合率的两倍2J提升。如图1(c)所示。

然后，如图1(e)所示，原地配对的两个transmon亮态通过波导相互作用形成衰变率为4Γ的四量子比特暗态|D₃〉和亮态|B₄〉。成对暗态|D₁〉、|D₂〉停留在原地，不与波导或另一对相互作用。

图1 实验概述

图2 实验装置

最终，这个暗态对退相干的保护导致衰变时间超过波导限制的单个量子比特两个数量级(约500倍)以上，换句话说，量子比特存储时间提高了500倍。

这个成功的实验为进一步研究暗态及其可能的应用奠定了基础。就目前而言，这些研究主要集中在基础研究领域，关于这些量子系统的性质仍有许多悬而未决的问题。该团队提出的控制暗态的概念原则上不仅可以用超导量子比特实现，还可以在其他技术平台上实现。Gerhard Kirchmair强调：“我们使用的电路功能类似于人造原子，与真实原子相比具有优势，真实原子更难与波导进行强耦合。”

参考链接：

[1]https://www.nature.com/articles/s41567-022-01527-w

[2]https://www.sciencedaily.com/releases/2022/03/220314120718.htm

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