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Observation of a power transfer controlled by the phase of a quantum superposition

本文表明，受驱动的超导 Transmon 量子比特可以在两个空间分离的传输线之间进行功率转移，其方向性仅由量子叠加态的相位控制，在实现最大相干性时达到了 63% 的路由效率。

原作者： Nathanaël Cottet, Sébastien Jezouin, Bogdan Reznychenko, Alexia Auffèves, Benjamin Huard

发布于 2026-07-22

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原作者： Nathanaël Cottet, Sébastien Jezouin, Bogdan Reznychenko, Alexia Auffèves, Benjamin Huard

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

量子交通警

想象一个这样的世界：能量不再仅仅是一个静态的燃料箱，而是一条可以被重定向、泵送和引导的流动之河。在奇妙且不可思议的量子物理领域，科学家们研究原子或人工原子（称为量子比特）等微小粒子如何与光和电发生相互作用。通常，我们认为这些相互作用是简单的：你按下按钮，能量单向流动，机器完成工作。但当你缩放到量子层面时，情况变得非常诡异。这里的一个核心概念是“叠加态”（superposition），它就像桌上旋转的硬币。当硬币在旋转时，它既不是正面也不是反面，而是两者的模糊结合体。另一个关键概念是“相位”（phase），这就像是旋转的时机。如果你有两枚旋转的硬币，它们的相位决定了它们是同步旋转还是不同步旋转。

为什么这很重要？因为控制能量的移动是所有技术的核心，从你的手机到未来的量子计算机。如果我们能学会不仅通过大型开关和导线，而是通过量子态那看不见、幽灵般的属性来引导能量，我们就能制造出极其高效的机器，或者完成我们认为不可能完成的任务。科学家们一直在追问的一个大问题是：粒子的这种“旋转硬币”性质本身，能否成为能量的转向盘，而不仅仅是一个我们可以转动的经典旋钮？

倾听幽灵的量子泵

在这篇论文中，研究团队建立了一个高科技的小型游乐场来回答这个问题。他们使用了一个被称为“超导人工原子”的跨子量子比特（transmon qubit），它就像一个微小的二能级开关，可以在“基态”（关闭）和“激发态”（开启）之间切换。他们将这个量子比特连接到两条用于微波信号的独立高速公路，我们称之为线路 A 和线路 B。

这是他们表演的魔术：他们同时从线路 A 和线路 B 向量子比特发射信号。但他们设置信号的方式，使得这两个信号能够完美地相互抵消。想象两个人从相对的两侧推一个沉重的箱子，且力量相等；箱子不会移动。在量子世界中，这意味着量子比特感受不到净推力，因此它应该无动于衷，只是静静地待在那里。

但量子比特并没有只是静静地待着。研究人员发现，量子比特正扮演着一个“泵”的角色，从线路 A 抽取能量并将其注入线路 B（或反之亦然），尽管它感受到的净力为零。这是怎么做到的？这种能量流向并不是由旋钮或开关控制的。相反，它是通过量子比特叠加态的相位来控制的。

把量子比特的状态想象成一枚旋转的硬币。如果硬币以特定的“相位”旋转（比如“正面向上”），能量就从线路 A 流向线路 B。如果你翻转相位（变成“反面向上”），流动会瞬间反转，从线路 B 流向线路 A。研究人员通过观察线路输出的功率来测量这一点。他们看到，当改变量子比特叠加态的相位时，功率流向会发生变化，呈现出类似余弦波的平滑曲线。就好像量子比特是一个交通警，它并不看车辆（信号），而是倾听自己内在舞蹈的节奏，以此来决定交通的方向。

量子之舞的效率

当然，自然界很少是完美的。研究人员必须处理系统中的一些“噪声”。尽管量子比特正在进行能量泵送，但仍有一些能量只是反射回来（反射）或随机泄露出去（自发辐射），而这些过程并不在意方向。这意味着该泵的效率并非 100%。

为了计算他们的量子泵到底有多出色，他们计算了一个“效率”得分。他们发现，当量子比特处于完美的平衡叠加态（即最“量子化”的状态）时，它能将 63% 的能量引导至预定方向。这非常接近物理定律（特别是量子比特自身的稳定性时间）所规定的 69% 的理论极限。

团队还检查了在不同输入能量下的表现。如果输入信号太弱，随机泄露（自发辐射）就会淹没定向流动；如果信号太强，反射就会占据主导，导致泵过载。最佳状态出现在中间位置，即定向流动最强的时刻。

为什么这意义重大

这项实验之所以意义重大，是因为它证明了量子相干性（quantum coherence）——即粒子存在于叠加态的能力——是一种真实且可用的资源，可用于移动能量。过去，科学家使用经典控制手段（如磁场或工程化的相位）来引导能量。而在这里，方向是由纯粹的量子属性决定的：叠加态的相位。

研究人员甚至将他们的量子比特与一个简单的经典波（如振动的吉他弦）进行了对比。他们表明，虽然经典波也可以被引导，但它依赖于经典干涉。然而，量子比特依赖的是一种没有经典对应物的能量态叠加。这是一种二元性：量子比特的“开”和“关”状态对应于波的经典“零”和“一”，但量子比特的“旋转”叠加态则对应于经典波的振幅。论文结论指出，这种定向功率传输是一种真正的量子效应，它为在量子机制下运行的热力学机器打开了大门，在这种机制下，控制能量的“旋钮”正是量子现实本身的织构。

技术摘要：观测由量子叠加态相位控制的功率转移

问题与动机
在开放量子系统中，驱动通常被建模为经典参数。然而，能量守恒定律规定，当量子系统的内能在驱动下发生变化时，驱动模式的能量也必须随之改变。虽然之前的研究已经展示了通过经典参数（例如磁通量、工程控制场相位或绝热调制）控制环境模式之间的能量流，但目前仍存在一个空白，即尚不清楚能量流的方向是否可以由一个真正的量子参数来控制。具体而言，本研究探讨了两个传播模式之间的功率转移方向是否可以由比特（qubit）叠加态的相位来设定，而非由经典的“状态选择”比特或外部控制旋钮来设定。

方法论
作者实现了一个实验，利用超导跨子（transmon）比特（ $\omega_q/2\pi = 7.088$ GHz）通过一个远失谐的微波腔耦合到两个空间分离的传输线 $a$ 和 $b$ 中。耦合率是不对称的（ $\gamma_b \approx \gamma_a/100$ ），以最大化在传输线 $a$ 中的荧光收集。

实验方案包括：

双驱动配置： 同时使用两个具有复振幅的模式驱动比特，并设置其净效应在比特动力学上消失（即 $\Omega_a = -\Omega_b = \Omega$ ）。在这种“抵消”配置中，旋转框架下的比特哈密顿量为零（ $H=0$ ），比特状态仅因退相干而演化。
相位控制： 将比特初始化为叠加态 $|\psi\rangle = \cos(\theta/2)|g\rangle + e^{i\phi}\sin(\theta/2)|e\rangle$ 。该叠加态的相位 $\phi$ 是主要控制变量。
测量： 使用连续外差检测结合量子极限放大器对输出场进行测量。记录传输线 $a$ 中的时间分辨输出功率，以确定净功率流。
表征： 通过非抵消驱动下的荧光测量独立表征 Purcell 率（ $\gamma_a$ ）和比特相干时间（ $T_1, T_2$ ），以建立理论界限。

核心贡献与理论框架
论文推导了每条线路的输出光子通量，表明功率由三部分组成：反射输入功率、自发辐射以及受激辐射/吸收。

受激辐射作为路由机制： 方向性源于输入驱动与比特发射的荧光场之间的干涉。该项与比特相干性 $\langle \sigma_x \rangle$ 成正比。
相位依赖的方向性： 当驱动抵消时（ $\Omega_a = -\Omega_b$ $Ω_{a} = - Ω_{b}$ ），净功率转移与 $\langle \sigma_x \rangle \propto \sin(\theta)\cos(\phi)$ $⟨ σ_{x} ⟩ \propto sin (θ) cos (ϕ)$ 成正比。
- 若 $\phi = 0$ ，则 $\langle \sigma_x \rangle > 0$ ，能量从线路 $a$ 转移到线路 $b$ 。
- 若 $\phi = \pi$ ，则 $\langle \sigma_x \rangle < 0$ ，能量从线路 $b$ 转移到线路 $a$ 。
量子与经典的区别： 作者强调，虽然线性谐振子在抵消场驱动下表现出与相干态振幅实部相关的定向转移（一种经典效应），但比特的定向转移依赖于能量本征态（ $|g\rangle$ 和 $|e\rangle$ ）的叠加，这是一种没有经典对应物的资源。

结果

观测到定向转移： 时间分辨测量证实，当叠加态相位 $\phi$ 从 $0 $调节到$ \pi $时，净功率流方向发生反转。转移振幅遵循$ \cos(\phi)$ 依赖关系，且与理论预测吻合，无需对相位依赖性进行可调参数拟合。
退相干动力学： 随着比特失去相干性，功率转移随时间衰减。受激辐射项（正比于 $\langle \sigma_x \rangle$ ）以速率 $\gamma_2 = 1/T_2$ 衰减，而自发辐射项（正比于 $\langle \sigma_z \rangle$ ）以速率 $\gamma_1 = 1/T_1$ 衰减。
路由效率： 作者基于传输线 $a$ $a$ 中光子通量的开/关比定义了路由效率 $\eta$ $η$ （针对相位 $\phi=\pi$ $ϕ = π$ 和 $\phi=0$ $ϕ = 0$ ）：
- 对于等叠加态（ $\theta = \pi/2$ ），测得的最大效率为 63%。
- 这接近于根据测得的相干时间（ $T_1 = 2.22$ $\mu$ s, $T_2 = 3.21$ $\mu$ s）推导出的理论极限 69%。
- 效率受到定向受激辐射与非定向贡献（反射驱动和自发辐射）之间竞争的限制。
- 在输入通量为 1 个光子（平均值）时，实验效率为 46%，而理想值为 54%。

意义与主张
论文声称证明了量子相干性可以作为一种“非经典旋钮”用于功率路由。能量流在两个模式之间的方向完全由比特叠加态的相位决定，这是一个真正的量子参数。

热力学背景： 研究结果有助于研究量子热力学机器，特别是那些在比特充当能量泵或测量驱动引擎的机制下运行的机器。
基本见解： 该工作建立了功率转移效率与向环境的信息泄露（退相干）之间的直接联系。
二元性： 作者指出比特与谐振子之间存在二元性，即比特的叠加态映射到谐振子的经典相干态，这表明在线性系统中看似经典的干涉实际上依赖于两能级系统中的量子叠加。

该研究并未提出即时的应用，而是将发现置于手性量子光学和量子能量学的更广泛框架内，展示了一种利用量子相干性控制能量流的基本机制。

量子交通警

倾听幽灵的量子泵

量子之舞的效率

为什么这意义重大

技术摘要：观测由量子叠加态相位控制的功率转移

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