一圈超導量子比特可以容納微波光子的「束縛態」，其中光子往往聚集在相鄰的量子比特位點上。圖片來源：Google Quantum AI
使用量子處理器，研究人員可以使微波光子具有異常的「粘性」。在誘使它們聚集成束縛態後，他們發現這些光子簇在某種狀態下存活了，而根據原來預測光子簇本應在這種狀態下分解成光子通常的、孤立的狀態。由於這一發現最初是在量子處理器上進行的，它標誌著量子處理器平台在研究量子動力學方面發揮著越來越大的作用。
光子——光或微波等電磁輻射的量子包——通常不會相互作用。例如，兩束交叉的手電筒光束可以不受干擾地穿過彼此。然而，可以使微波光子在超導量子比特陣列中相互作用。
Google Quantum AI 的研究人員在12月7日發表在《自然》雜誌上的「相互作用微波光子的穩健束縛態的形成」中描述了他們如何設計這種不尋常的情況。他們研究了一個由24個超導量子比特組成的環，它可以容納微波光子。通過將量子門應用於成對的相鄰量子比特，光子可以通過在相鄰位置之間跳躍並與附近的光子相互作用來四處傳播。
光子之間的相互作用影響了它們的「相位」。相位跟隨著光子波函數的振盪。當光子不相互作用時，它們的相位累積是相當單調的：就像排練良好的合唱團一樣，它們都是同步的。在這種情況下，最初位於另一個光子旁邊的光子可以從其鄰居身邊跳開而不會不同步。正如合唱團中的每個人都為這首歌做出貢獻一樣，光子可以選擇的每條可能路徑都對光子的整體波函數有貢獻。最初聚集在相鄰位置的一組光子將演化成每個光子可能採取的所有可能路徑的疊加。
而當光子與相鄰光子發生了相互作用時，情況就不再如此。如果一個光子跳離它的鄰居，它的相位積累速度會發生變化，與鄰居不再同步。光子分裂的所有路徑都重疊，導致相消干涉。就像每個合唱團成員都按照自己的節奏唱歌一樣——整體歌曲本身被沖淡了，變得無法從個別歌手的喧囂中辨別出來。最後在所有可能的配置路徑中，唯一可能倖存的情況，就是所有光子在束縛態下保持聚集在一起的配置。這就是為什麼光子相互作用可以增強並導致束縛態形成的原因：它會抑制光子未束縛在一起的所有其他可能性。
為了嚴格證明束縛態的行為確實與粒子一樣，具有明確定義的物理量，例如能量和動量，研究人員開發了新技術來測量粒子的能量如何隨動量變化。通過分析光子之間的相關性如何隨時間和空間變化，他們能夠重建所謂的「能量-動量色散關係」，從而證實了束縛態的類粒子性質。
束縛態的存在本身並不新鮮——在一個稱為「可積體系」的體系中，動力學要簡單得多，十年前就已經預測和觀察到了束縛態。但除了可積性之外，還有混沌。在這個實驗之前，人們曾想當然地假設束縛態會在混沌中分崩離析。為了測試這一點，研究人員通過將簡單的環形幾何形狀調整為更複雜的齒輪狀連接量子比特的網絡，超越了可積性。他們驚訝地發現：束縛態在混沌狀態下持續存在。
Google Quantum AI的團隊仍然不確定這些束縛態從何處獲得了意想不到的彈性，但這可能與一種稱為「預熱化」的現象有關，在這種現象中不兼容的能量尺度可能會阻止系統像其他方式一樣迅速地達到熱平衡。
研究人員預計，研究該系統將為多體量子動力學提供新的見解，並將激發科學家使用量子處理器平台去獲得更多的基礎物理學發現。
參考文獻：
DOI: 10.1038/s41586-022-05348-y
編譯：王珩
編輯：慕一