将对称性的力量用于新的量子技术

通过利用自然界自身固有的对称性，瑞典查尔姆斯理工大学的研究人员找到了一种控制和与原子黑暗状态进行通信的方法。这一发现为建立量子计算网络和量子传感器以探测宇宙中难以捉摸的暗物质打开了另一扇门。

“大自然喜欢对称，我们也是如此。我们实验的基础是一种创新的工程技巧，我们控制和利用系统中可用的对称性，否则很难驯服，“量子技术研究员，该研究的主要作者Aamir Ali博士说。

量子计算机有可能大大超过当今最先进的计算机。量子计算机基于所谓的量子比特或量子比特，它们能够同时叠加其可能的状态 0 和 1。这种现象允许量子计算机处理大量数据。然而，叠加态非常脆弱，这意味着需要保护它们免受外部干扰，以防止它们崩溃。

因此，构建大型量子计算机提出了一个重大挑战，因为随着量子比特数量的增加，集体系统变得越来越脆弱。出于这个原因，一个关键的研究领域是大型量子网络的发展，其中计算任务被处理并分布在网络的不同节点上。

实现这种网络的一种有吸引力的方法是使用人造原子作为量子比特。原子通过吸收或发射光子与光自然相互作用。然而，两个或多个原子的集合可以以特定的叠加态存在，称为暗态，其中它们对光完全透明，这意味着它们既不发射也不吸收光。这些暗态在量子技术中具有巨大的潜力，因为它们不受外部影响和破坏的影响。出于同样的原因，控制黑暗状态并使用它们来交换信息是一项艰巨的任务。

调整原子的微小对称性

现在，查尔姆斯理工大学的研究人员开发了一种简单，高精度的方法来控制由两个相互连接的人造原子组成的分子的暗状态。该研究已发表在《物理评论快报》上。

从蝴蝶的翅膀和雪花到我们物理世界中最小的组成部分，大自然力求对称以创造平衡与和谐。原子中的能级也是如此。Aamir Ali和他的同事使用的量子比特由两个由超导电路组成的耦合人造原子组成。当光粒子（光子）通过波导发送到原子中时，它们可以与两种不同可用对称的能级相互作用。

在以前的研究中，只有一个波导耦合到量子比特，对其对称性的访问有限，但查尔姆斯研究人员却使用了两个波导，每个波导分别耦合到其中一个对称状态。由于人造原子中的能量分布对称，其中一个波导将耦合到暗状态，另一个耦合到其互补的亮状态。这使得他们接受彼此独立的操纵和控制。

量子技术的新应用

这种控制暗状态的能力为量子技术的应用提供了一种新的方法。利用查尔默斯的研究人员的工程设计，有可能在暗态和亮态之间建立量子纠缠，这解锁了处理量子信息并在量子网络中传输的新方法。此外，它还允许开发可以吸收低能量微波光子的传感器。

该领域的光子探测器可能有助于探测宇宙中的暗物质。研究人员还将利用热力学中的这些新结果，看看量子力学定律是否可以用来在发动机或电池方面获得优势。

“我们可以设计出具有独特对称性的合成分子，这为这些分子与微波相互作用提供了新的方式。我们展示的概念同时优雅而强大，应用范围从分布式量子计算到微波光检测，“实验量子物理学研究负责人，该研究的资深作者之一Simone Gasparinetti说。

这项研究是在查尔姆斯大学在瓦伦堡量子技术中心（WACQT）的框架内进行的，这是一个全面的研究计划，其目的是使瑞典的研究和行业成为量子技术的领导者。

“WACQT的主要目标之一是构建量子计算机。但事情远不止于此。我们创造了一个环境，鼓励研究人员探索较少的途径，同时受益于量子技术的基础设施和专业知识，这项工作就是这样一个例子，“Simone Gasparinetti说。

工作原理

人造原子由电子电路组成，就像真正的原子一样，只能占据一组特定的离散能级。当它们耦合到两个波导时，它们创建了一个共享结构，该结构使用量子干涉将波导连接到原子能级可以假设的两个不同对称性。

由于这种与对称性的耦合，很容易简单地选择和设计能量转换。这比以前演示的要容易得多，也更有效，而无需采用标准架构中常见的复杂相位和脉冲控制。

更多信息：穆罕默德·阿里·阿米尔等人，超导人造分子与微波波导的工程对称选择性耦合，《物理评论快报》（2022 年）。DOI： 10.1103/PhysRevLett.129.123604

期刊信息：物理评论快报