Programming anharmonic potentials in a superconducting harmonic oscillator
本文提出了一种利用与跨子比特（transmon qubit）耦合的超导谐振器，通过可编程方式构建高保真非高斯相位门（non-Gaussian phase gates）的系统性框架，并成功演示了用于连续变量量子信息处理与模拟的立方、双阱及近似莫尔斯（Morse）势能。
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在量子世界中，物质最基本的构建模块通常表现得像完美的弹簧。当原子振动或分子摆动时，它们通常遵循一种被称为谐振的简单且可预测的节奏。这种行为如此可靠，以至于科学家们围绕它构建了整个量子计算机，利用这些振动系统作为处理信息的稳定基础。然而，真实的宇宙很少如此简单。化学反应、分子破碎的方式以及驱动生命本身的复杂相互作用，都是由不遵循完美弹簧规律的力量所支配的。这些力量是“非谐性”的，这意味着它们的行为会随着你拉伸或压缩程度的不同而改变。为了在量子计算机上模拟这些现实世界的物理过程，研究人员需要能够根据需求创造这些复杂的非线性力。直到现在，工程化实现这种特定的、定制化的力一直是一个重大的障碍，因为以往往往需要为每一个新任务配备独特的硬件。
一组研究人员现在展示了一种灵活的方法，可以直接将这些复杂的力编程进超导量子器件中。他们研究了一个量子谐振子——这种器件自然地像完美的弹簧一样振动——并将其连接到一个被称为超导转导比特（transmon qubit）的微型人工原子上。通过仔细控制两者之间的相互作用，他们创建了一个能够作为塑造量子力通用工具的系统。他们不再是为每种想要研究的新型振动都制造一台新机器，而是开发了一个单一的可重构电路。该电路的工作原理是通过在人工原子之间交替进行快速旋转与对振子位置的精确位移。通过简单地改变旋转的角度，研究人员可以对器件进行编程，使其模拟各种复杂的势能，有效地让振子表现得仿佛被困在一个定制设计的能量景观中。
团队首先用创建三次相位门（cubic phase gate）测试了他们的方法，这是一种对于执行通用量子计算至关重要的特定类型力。他们对器件进行了编程，使其施加一种随着振子远离中心而增强的力，这种行为对于标准弹簧来说是不可能实现的。为了验证成功，他们使用了一种称为逐点力重构（pointwise force reconstruction）的技术。他们向系统中发送了一系列温和且定义明确的探测器，并测量了振子动量的变化程度。通过绘制这些变化的变化图，他们能够重构出器件所施加力的形状。结果显示，该器件成功创建了预期的三次项形状，测得的力与编程的目标值之间的误差极小。该门产生的量子态高度复杂且非标准，证实了该器件已成功生成了高级量子信息处理所需的非高斯资源。
在取得成功的基础上，研究人员又设计了一系列双阱势（double-well potentials）。这些能量景观看起来像是一个中间有山丘分隔的两个凹陷的山谷，这种形状对于理解粒子如何穿透势垒或化学键如何断裂与重组至关重要。他们编程使器件创建一个完美的对称双阱，其中两个凹陷是完全相同的；随后修改设置，创建了一个其中一个凹陷比另一个更深的非对称版本。他们还创建了一个“破碎”的版本，即山丘完全消失，只剩下一个单斜坡。在每种情况下，力剖面的重构都清晰地展示了预期的形状。对于对称版本，力是完美平衡的；对于非对称版本，平衡被精确地按程序进行了偏移；而对于破碎版本，特征性的双凹陷结构则消失了。这证明了该系统不仅可以创造复杂的形状，还可以通过高精度调节来改变这些形状的对称性。
最后，团队挑战了一个最具挑战性的目标：莫尔斯势（Morse potential）。这是一种描述原子在分子中如何振动并最终分离的特定类型的力，其特征是具有一侧陡峭的墙壁和另一侧平缓、趋于平坦的斜坡。这种形状与他们之前创建的多项式形状有着本质区别，因为它涉及指数曲线。研究人员对器件进行了编程以近似这种势能。虽然重构显示了总体的形状，但莫尔斯势陡峭、锐利的墙壁并未被完全解析。研究人员指出，这一局限性并非源于编程缺陷，而是由于测量方法本身造成的。他们使用的探测器具有有限的宽度，这平滑掉了力中最尖锐的细节，就像略显模糊的镜头无法捕捉照片中最精细的边缘一样。
通过模拟，团队表明，如果使用另一种不同类型的探测器——一种在位置上被“挤压”得更窄的探测器——莫尔斯势的陡峭墙壁就能被高保真度地恢复。这一发现提供了一条清晰的前行路径：硬件本身具备完成这项任务的能力，目前的局限仅仅在于需要使用更精确的测量工具，而这种工具在类似的实验装置中已经是现成的。这项工作建立了一条实现可编程非谐势的实用且可重构的途径。通过仅改变一组旋转角度，研究人员可以在同一块硬件上实现从创建三次力、双阱陷阱到分子振动模型的切换。这种能力为模拟复杂的分子动力学和化学反应开启了大门，使模拟过程能够达到以前无法企及的细节水平，从而推动量子模拟向现实物理世界迈进。
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