Occupation-selective photon-pair interactions in a flux-pumped SQUID resonator

在量子计算那寂静且超低温的世界里，科学家们经常利用捕捉在微小电路中的光来存储信息。这些电路就像是高质量的房间，微波光子（无线电频率下的光粒子）可以在其中长时间跳动而不消失。由于这些“房间”极擅长保持能量，它们提供了一个巨大的空间来存储复杂的数据，远比简单的二态开关所能承载的内容要大得多。然而，为了使这些数据变得有用，研究人员必须能够精确地操纵它们。他们需要对光进行特定的操作，同时又不干扰系统的其余部分。多年来，实现这一目标的标准方法是根据粒子数量来改变光的音高，有点像吉他弦在被按压时改变音调。但这种方法存在局限性；它将光视为一个被动的物体，仅仅是改变其频率，而不是一种可以主动改变与机器其他部分相互作用强度的东西。

一组研究人员现在发现了一种可以走得更深的方法，他们找到了一种让电路中某一部分的粒子数量直接控制另一部分特定相互作用强度的手段，而无需改变第一部分的粒子数量。想象一下，一位音乐家正在钢琴上演奏一个音符，而附近的第二位音乐家正按住一个琴键。在这种新设置中，第二位音乐家的动作不仅改变了第一个音符的音高，实际上还改变了第一位音乐家弹奏特定和弦时的力度大小。这不仅仅是音调的微妙变化，而是两者之间连接强度的根本性改变。通过使用一种被称为 SQUID 的特殊超导回路（它充当了电流的可调桥梁），研究人员模拟了一个系统，其中“控制器”模式中的光子存在，重塑了“信号”模式的竞争规则。

研究人员分析了一个两个不同的电振动模式共享同一个物理桥梁的电路。他们用一种节奏性的磁信号（称为通量泵浦）来驱动这个桥梁，旨在在信号模式中产生光子对。通常，当科学家想要控制这种过程时，他们依赖于其他粒子的存在会移动相互作用的频率。如果控制器中有零个粒子，信号会在一个频率下共振；如果有一个，则会在另一个频率下共鸣。这是一个广为人知的效应，称为交叉克尔效应（cross-Kerr shift）。然而，团队发现这种频率偏移仅仅是故事的一半。即使他们仔细调节系统，使得信号在控制器具有不同粒子数量时都处于完美的共振状态，相互作用的强度——即能级之间的间隙大小——仍然会随着控制器中粒子数量的变化而改变。

为了理解这一点，研究人员必须观察超导回路的原始数学特性，该回路的行为类似于可以用余弦函数描述的波。当他们计算在不改变控制器模式的情况下，在信号模式中产生一对光子的精确概率时，他们发现控制器的粒子计数直接出现在公式中。这仿佛控制器在向相互作用传递一个秘密，在不发出任何声音的情况下改变了它的音量。这种效应之所以产生，是因为控制器的量子涨落物理上存在于与信号模式相同的非线性元件中。尽管在特定的跃迁过程中没有能量交换，但控制器粒子的存在本身就修改了信号传播所经过的景观。

团队通过结合先进的数学建模和高精度数值模拟验证了这一发现。他们将简化的理论与电路的全展开模拟进行了对比，后者作为完美的参考基准。结果显示，相互作用强度随控制器的不同状态而显著变化。例如，当控制器为空时，相互作用具有一个特定的强度；当控制器持有单个粒子时，强度明显下降。这种变化并非频率偏移的副作用，而是相互作用本身的一种独特的、可测量的属性。通过绘制这些变化，研究人员创建了一个二维图景，其中相互作用的音高和音量都可以由控制器的状态独立控制。

这种控制为量子信息的处理开辟了新的可能性。由于相互作用强度取决于控制器的状态，研究人员可以有选择性地驱动信号模式中的特定跃迁，同时忽略其他跃迁。他们证明了通过将泵浦频率调节到特定位置，可以高精度地将信号从拥有两个粒子变为拥有四个粒子，同时保持其他潜在跃迁不受影响。这种选择性对于构建复杂的量子存储器至关重要，因为在其中需要针对单条数据进行操作，而不至于意外干扰其邻居。研究人员发现，他们可以通过使用较弱的泵浦来换取更高的精度，虽然这会使操作完成所需的时间变长。

除了简单的选择之外，研究人员还探索了当控制器处于量子叠加态（即一种实际上同时持有两种不同粒子数量的状态）时会发生什么。在这种情况下，信号模式不仅仅遵循一条路径，而是同时遵循两条路径，每条路径都由控制器的不同状态决定。由于相互作用强度和共振点各不相同，信号会以两种截然不同的方式同时演化。这在控制器和信号之间创造了一种深层的联系，或称纠缠。研究人员计算出，这一过程可以产生接近一个完整的纠缠单位，这对于量子系统来说是一个显著的量，有效地将控制器的状态与信号的状态联系在一起，这种联系无法用经典物理学来描述。

此外，团队展示了该机制可以用于创建高度复杂的非标准量子态。当信号在特定的控制器扇区内被驱动时，它会沿着能量阶梯攀升，从而扭曲其形状，在其量子图中产生负概率区域。这些“负”区域是真正的量子行为的标志，无法被简单的波所模拟。研究人员发现，通过选择正确的控制器状态，他们可以迫使信号进入这种高度非经典的机制，同时让其他控制器状态下的信号几乎完全不受影响。这种通过简单的控制器状态开关来开启复杂量子动力学的能力，为生成用于高级量子纠错和传感所需的奇异态提供了强大的工具。

这些发现并非仅仅是理论上的，研究人员还为如何在真实的实验室中构建此类系统提供了清晰的路线图。他们确定了在真实电路中隔离此效应免受干扰的噪声信号影响所需的特定条件。通过确保其他不需要的模式频率远离泵浦信号，所需的相互作用可以变得清晰突出。团队确认，诸如超导回路以及通过磁场对其进行调节的能力等必要组件，在现代量子计算硬件中已经是现成的。这意味着，受控于占据态的相互作用并非遥不可及的梦想，而是可以被设计进现有设备的特性。

最后，这项工作揭示了量子世界中的一个新层次的控制。它表明，一个系统的状态不仅可以改变另一个部分的频率，还可以从根本上改变它们之间连接的强度。这一发现超越了简单的频率调谐概念，引入了一种相互作用的本质取决于其伙伴量子态的方法。通过掌握这种条件动力学，科学家可以构建更精确、更具选择性且更强大的量子机器，能够以以往认为不可能的方式操纵光。通过简单地准备好合适的控制器状态来按需生成纠缠和复杂的量子态，标志着向实用化量子技术工程迈出了重要的一步。