Dark state as a measurable state by a dispersive readout without a Purcell limit

在量子计算的微观世界中，信息存储在脆弱的状态中，极易受到来自环境的轻微触碰而遭到破坏。为了读取这些信息，科学家必须将这些量子系统与外界连接起来，但这种连接本身却创造了一个危险的悖论。用于测量系统的链路越强，系统失去能量并发生坍缩的速度就越快，这种现象被称为衰减。多年来，研究人员一直认为他们必须在清晰、强烈的信号与持久的量子态之间做出选择：你只能择其一，而不能兼得。这种权衡一直是构建能够解决复杂问题而不崩溃的机器的主要障碍。

台湾的一个研究团队现在发现了一种打破这一规则的方法。他们设计了一个包含两个超导人工原子的微型电子电路，这些原子充当量子计算机的基本构建模块。这些原子连接到一个单一的测量设备，但研究团队将它们排列成一种特定的对称模式，从而产生了两种截然不同的行为类型。其中一种行为被称为“亮态”（bright state），它与测量设备的相互作用很强，使其易于被读取，但也会导致能量快速流失；另一种是“暗态”（dark state），通过设计使其几乎不与测量设备发生相互作用，从而有效地躲避了通常会摧毁量子信息的能量损失。

突破之处在于他们如何让这个隐藏的状态变得可见。尽管暗态并不直接与测量设备进行交流，但研究人员发现，它通过与它的“亮”伙伴之间微妙的相互作用，仍然会在系统中留下指纹。通过测量亮态，他们可以间接检测到暗态的存在，其清晰度几乎与暗态直接进行相互作用时一样。在实验中，暗态的持续时间几乎是亮态的两倍，证明了它受到了保护，免受通常限制量子比特生存时间的快速衰减的影响。然而，尽管受到了这种保护，暗态仍然以一种可以与基态明确区分的方式改变了测量设备的频率。

该实验是在一个冷却至接近绝对零度的微型芯片上进行的。研究人员使用微波脉冲来推动系统进入亮态或暗态。当他们尝试通过主连接直接测量暗态时，它保持沉默，证实了它确实屏蔽了通常的能量泄漏。然而，当他们观察系统对温和探测的反应时，他们发现暗态仍然引起了谐振器频率的可测量偏移。这种偏移与亮态引起的偏移几乎完全相同，这表明信息就在那里，可以被读取，而不会承担快速衰减的代价。

这一发现为量子计算指明了一条新的道路。通过使用这种“暗模式”，科学家们或许能够在较长时间内存储量子信息，同时仍能在需要时对其进行读取。研究人员展示了暗态可以以高可靠性进行准备和测量，这提供了一种既能保护量子数据免受环境影响，又不使其对观察者隐形的方法。这种方法对于未来量子计算机中的错误检测和纠正特别有用，因为在这些计算机中，保持信息的某种状态与读取它同样重要。这项工作表明，通过仔细安排量子组件之间的连接，是有可能实现“两全其美”的：即拥有一个既长寿又可测量的状态。