科学家用“量子长笛”实现了光子的一对多同步和相互作用

在 2022 年 6 月 23 日发表于《自然·物理学》期刊上的一篇文章中，科学家们介绍了一种新颖的“量子长笛”（quantum flute），特点是能够诱使光子同步移动、并相互作用。尽管这在自然界中几乎从未发生过，但该设备还是有望帮助改进未来的量子计算机设计。

（来自：University of Chicago）

与同名乐器类似，这款“量子长笛”的本体也是一块金属、中间有个长空腔，并在表面留有一系列开孔。

不同的是，这款装置并非为声学应用、而是专为光学应用而设计。研究一作 David Schuster 表示：

与在乐器中一样，你能够在整个物体上发送一个或多个波长的光子。
每个波长都会产生一个‘音符’，而我们可将之用于编码量子信息。

（图自：Schuster Lab）

研究团队称，这些不同的“注释”，可以像数据的量子比特（qubits）一样工作。

这意味着它们可被用于为量子计算机打造新型内存、或帮助纠正这项技术容易出现的错误。

研究配图 - 1：实验系统示意图

实验期间，研究人员得以使用超导电路作为主量子位，同时控制多达五个“音符”（量子比特）的相互作用。

这表明，在扩大了系统规模后，它可极大地简化未来量子计算机的控制方式。

研究配图 - 2：使用最优策略对量子比特进行通用控制

David Schuster 解释称：“如果你想要打造一台拥有 1000 个量子比特的计算机，并希望通过一个量子位来控制所有这些量子比特，那其价值也会被充分彰显”。

至于实验用的这块钻有孔的量子槽，它能够捕获并操纵不同波长的光子来编码量子信息。但它最奇特的地方，就在于做到了自然界中极为罕见的事情。

研究配图 - 3：通过光子阻滞产生多模 N 体相互作用

这些光粒子通常不会相互作用，意味着它们会直接略过、甚至相互穿过。但在某些条件下，它们偶尔可以成对相互作用。

而在新装置中，研究团队设法成功地让系统中的所有光子，在能量达到了临界点后立即相互作用。

研究配图 - 4：多模式 Wigner 断层扫描

David Schuster 补充道：“通常情况下，大多数粒子的相互作用都是一对一的 —— 或相互弹跳、或相互吸引”。

如果你加入第三个粒子，它们通常仍会按顺序与其中一个交互 —— 但新系统让所有粒子都同时互动。

芝加哥大学 Schuster Lab 实验室成员合照

最后，研究团队表示，随着量子计算机的发展，这种不新厂的群体行为，有望开启物理学或其它以往可能未观察到的量子现象的新方法。

有关这项研究的详情，可移步至《自然·物理学》（Nature Physics）或《物理评论快报》（Physical Review Letters）查看全文。

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