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Quantum Coherence in Superconducting Vortex States

本文表明，捕获在颗粒超导薄膜中的涡旋可以作为具有微秒级量子相干性的相干双能级系统运行，从而能够通过电路量子电动力学进行操控与读取，为量子信息与传感领域的潜在应用提供可能。

原作者： Ameya Nambisan, Simon Günzler, Dennis Rieger, Nicolas Gosling, Simon Geisert, Victor Carpentier, Nicolas Zapata, Mitchell Field, Milorad V. Milošević, Carlos A. Diaz Lopez, Ciprian Padurariu, Björn Ku

发布于 2026-06-23

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CC BY 4.0

原作者： Ameya Nambisan, Simon Günzler, Dennis Rieger, Nicolas Gosling, Simon Geisert, Victor Carpentier, Nicolas Zapata, Mitchell Field, Milorad V. Milošević, Carlos A. Diaz Lopez, Ciprian Padurariu, Björn Kubala, Joachim Ankerhold, Wolfgang Wernsdorfer, Martin Spiecker, Ioan M. Pop

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。阅读完整免责声明

想象一下，超导体是一条完美平滑、无摩擦的高速公路，电力在上面流动时不会损失任何能量。通常情况下，如果你在靠近这条高速公路的地方移动磁铁，就会产生被称为“涡旋”（vortices）的“交通堵塞”。在普通超导体中，这些交通堵塞是混乱且具有耗散性的（就像一辆爆胎的汽车一样会损失能量），并且表现得像半经典物体。它们通常被认为是精密量子设备的噩梦。

然而，这篇论文报告了一个令人惊讶的发现：在一种由微小铝颗粒（类似于由碎石而非平滑沥青铺成的道路）组成的特殊“粗糙”超导体中，这些交通堵塞竟然可以表现得像**量子比特（qubits）**一样。

以下是研究人员发现的内容，使用简单的类比进行说明：

1. 设置：一条粗糙的道路

科学家们使用了一种由颗粒铝制成的特殊薄膜。请不要将其视为一个实心的片层，而应将其视为由微小岛屿（颗粒）组成、并被薄绝缘间隙分隔开的马赛克。

实验： 他们将这种薄膜冷却到接近绝对零度（比外太空还要冷），同时施加了磁场。
结果： 磁场并没有将涡旋推出去或使其变得混乱，而是让这些涡旋“卡住”（被捕获）在了铝颗粒之间。

2. 发现：作为量子开关的涡旋

通常，一个被捕获的涡旋是一个混乱且泄露能量的实体。但在这种情况下，被捕获的涡旋表现得像一个两能级系统。

类比： 想象一个球位于一个山谷中，其两侧各有一座小山。在普通世界里，球会滚下山谷并损失能量。但在这种量子世界里，这个球可以处于“叠加态”——它实际上同时存在于两个山谷中，或者它可以“隧穿”（类似瞬间移动）到另一侧，而无需爬过山丘。
“量子比特”： 研究人员发现，这些被捕获的涡旋可以通过微波脉冲在两个状态之间进行翻转（就像电灯开关的“开”或“关”）。他们称之为涡旋量子比特（Vortex Qubit）。

3. “甜点区”与相干性

研究人员找到了一个特定的磁场强度（即“甜点区”），在此处涡旋被完美地平衡在两个钉扎位点之间。

稳定性： 一旦被捕获，这些涡旋可以保持稳定长达数周。
相干性： 它们可以保持其量子“记忆”（相干性）长达微秒量级。在量子物理世界中，这是一个非常长的时间——足以进行计算。
- 弛豫时间 ( $T_1$ ): 涡旋自然回到其静止状态所需的时间约为 186 微秒。
- 相干时间 ( $T_2$ ): 它保持量子叠加态的时间约为 440 纳秒（通过特殊的回波技术可延长至 1.2 微秒）。

4. 他们是如何读取它的

为了观察涡旋的状态，研究人员将其连接到一个微波谐振器（一种以特定频率振动的微型电路，类似于音叉）。

相互作用： 当涡旋改变其状态时，它会轻微地改变谐振器的频率。
测量： 通过监听这种频率偏移，他们可以在不破坏量子态的情况下，判断涡旋处于“基态”（静止态）还是“激发态”（翻转态）。这被称为量子非破坏性读取（Quantum Non-Demolition readout）。

5. 为什么会发生这种情况（理论解释）

论文指出，由于铝薄膜是由颗粒组成的，涡旋被捕获在一个“双阱势能”（double-well potential）中。

隐喻： 想象涡旋是一个在碗中滚动的弹珠，由于一个小山脊的存在，这个碗被分成了两个独立的凹陷。磁场控制着每个凹陷的深度。在“甜点区”，两个凹陷的深度相等，从而允许弹珠在两者之间进行量子隧穿。
模型： 这种行为符合一个被称为**非对称量子拉比模型（Asymmetric Quantum Rabi Model）**的数学模型，该模型描述了量子两能级系统如何与波（谐振器）发生相互作用。

结论摘要

涡旋可以作为量子比特： 与涡旋总是具有破坏性的观点相反，颗粒铝中被捕获的涡旋表现为稳定的量子比特。
长寿命： 这些涡旋量子比特具有微秒级的相干时间，与一些工程化的超导量子比特相当。
控制： 团队成功利用标准的量子电子学工具操纵了这些状态（翻转它们）并对其进行了读取。
机制： 这种行为很可能是由于涡旋在颗粒材料中的钉扎位点（陷阱）之间进行隧穿，从而创造了一个双阱能量景观。

该论文并未声称这些技术已准备好用于商业计算机或医疗设备；它仅仅是确立了这些天然存在的量子态确实存在、可以被控制，并且具有令人惊讶的长寿命。

技术摘要：超导涡旋态中的量子相干性

问题陈述
传统观点认为，II 型超导体中的阿布里科索夫涡旋（Abrikosov vortices）是耗散性的、半经典的实体，其核心处的超导能隙完全消失。它们的动力学通常被视为对应用的有害因素，会导致发热、磁通噪声和磁滞现象。虽然通过钉扎可以增强临界电流或提高谐振器品质因子，但钉扎的涡旋通常是在半经典框架内进行建模的。尽管在长约瑟夫森结和薄膜中已观察到涡旋的量子隧穿现象，且钉扎涡旋的零点运动也已被注意到，但直接测量超导涡旋态中量子相干性的研究仍然难以实现。近期的理论模型表明，在颗粒态超导体中（由于相干长度与颗粒尺寸相当），涡旋核心可能保持能隙且无耗散，从而可能表现为量子双能级系统。

方法论
作者利用颗粒铝（grAl）微条线谐振器研究了这一假设。该 grAl 薄膜的电阻率为 3600 µΩcm，由间隔着非晶态 AlOx 势垒的 3–4 nm 铝颗粒组成，构成了一个接近超导-绝缘转变的系统。该谐振器（宽 3 µm，长 400 µm）被置于稀释制冷机中，在 20 mK 温度下进行反射测量。

通过在垂直磁场（ $B_{cd} = 820$ µT）下进行场冷却引入涡旋，选择该磁场强度是为了确保稳定的构型（每平方单位包含 1 到 3 个涡旋），而不触发复杂的屈曲转变。系统使用电路量子电动力学（cQED）技术进行探测。作者执行了以下操作：

双音谱学测量： 用于绘制涡旋模式频率（ $f_q$ ）的图谱，并识别指示与谐振器耦合的避越能级交叉（avoided level crossings）。
量子非破坏性（QND）读取： 通过测量谐振器的相位响应（ $S_{11}$ ）来区分涡旋的基态（ $|g\rangle$ ）和激发态（ $|e\rangle$ ）。
相干操控： 在涡旋频率处施加微波驱动，以实现 $\pi$ 脉冲并诱导拉比振荡（Rabi oscillations）。
时域测量： 进行自由衰减、Ramsey 振荡实验和 Hahn 回波实验，以量化能量弛豫时间（ $T_1$ ）和相干时间（ $T_2^*$ 和 $T_2^{echo}$ ）。

主要贡献与结果

涡旋量子比特（VQs）的观测： 研究表明，捕获在 grAl 谐振器中的涡旋表现为有效自旋（量子比特），具有微秒级的相干性。该系统与读取谐振器表现出强耦合，耦合强度为 $g/2\pi = 92.5$ MHz。
色散耦合与建模： 涡旋与谐振器的相互作用由**非对称量子拉比模型（AQRM）**描述。该模型成功捕捉了色散位移（ $\chi$ ）随磁场呈现的非单调依赖关系，而对称模型无法重现这一特征。测得的耦合和频率色散与由钉扎位点之间形成的双阱势能一致，该势能受磁场中吉布斯自由能的调制。
相干性指标：
- 能量弛豫（ $T_1$ ）： 涡旋量子比特表现出 $T_1 = 186$ µs 的能量弛豫时间（在不同周期内为 40–300 µs）。这与工程化的超导量子比特相当，且在性质上不同于预期中阿布里科索夫涡旋的耗散特性。
- 相干时间： Ramsey 测量得到的相干时间为 $T_2^* = 440$ ns。Hahn 回波测量将其延长至 $T_2^{echo} = 1.2$ µs，表明低频噪声是主要的退相干源。
- 状态读取： 该系统允许单次测量状态判别，有效量子比特温度约为 74 mK。
物理机制： 作者提出，VQ 源于涡旋在颗粒网络内的钉扎位点间进行隧穿。双阱势是由涡旋的吉布斯自由能与 grAl 结构中固有的随机钉扎势共同作用形成的。在“甜点”（ $B_0 = 128$ µT）处，对应于一个简并的双阱，此时涡旋会发生退相干，形成对称和反对称的叠加态。

意义与主张
论文声称，这些发现提供了直接证据，证明超导涡旋可以承载微秒量级的量子相干性，挑战了涡旋动力学的半经典观点。研究结果支持了将颗粒态超导体建模为能够承载“能隙涡旋”的隧道结网络的理论。

这项工作的意义在于：

基础物理： 它验证了能隙涡旋态的存在，并证明了颗粒态超导体中的涡旋动力学可以用量子双能级系统而非耗散的经典物体来描述。
技术潜力： 作者指出，这些 VQ 为量子信息处理、微观层面的材料表征以及纳米级传感提供了一个新的方向。
未来展望： 尽管目前的结果与单涡旋隧穿一致，但作者指出，区分单涡旋与多涡旋动力学仍是一个开放性问题，需要进一步研究（例如通过成像或几何形状设计）。他们认为，通过工程化设计钉扎景观和噪声环境可以增强相干性，从而有望开发出基于涡旋的量子信息平台。

论文总结道，观察到的涡旋态量子相干性，结合 grAl 系统相对的技术简洁性，为探索接近超导-绝缘体转变的物理学以及利用无序超导体作为材料表征的嵌入式工具开辟了新的途径。