1932年的一項發現可能會重新改寫現代量子運算的未來

阿爾托大學的物理學家們重新構想了1932年首次發現的一個基本量子過程，使得量子系統中能階之間的轉換成為可能，而這在以前被認為是做不到的。利用超導電路，他們展示了一種繞過中間能態而不與之直接相互作用的方法——這一進步可能會帶來更強大、更高效的量子運算。

1932年，在量子力學發展初期，四位著名物理學家——列夫·朗道（Lev Landau）、克拉倫斯·齊納（Clarence Zener）、恩斯特·施特克爾伯格（Ernst Stückelberg）和埃托雷·馬約拉納（Ettore Majorana）——提出了一個數學公式，用於計算能量隨時間變化的系統中兩種能量狀態之間的轉換機率。多年來，這個公式已被廣泛應用於物理學和化學領域。

現在，阿爾托大學應用物理系的研究人員證明，在具有兩個以上能階的系統中也能發生類似的躍遷。透過利用中間狀態的虛擬轉換和線性啁啾調整驅動頻率，他們甚至在無法直接改變能量的系統中也實現了可控的狀態躍遷。

由博士研究員伊薩克·比約克曼（Isak Björkman）、博士後研究員馬爾科·庫茲曼諾維奇（Marko Kuzmanovic）和副教授索林·帕拉奧阿努（Sorin Paraoanu）組成的研究小組，成功地在超導電路中實現了這一過程，類似於量子電腦中使用的超導電路。

該論文於2月14日發表在《物理評論快報》上。

用新技術打破限制

研究小組成功地將該器件從基態能階提升到所謂的第二激發能階，儘管這兩個能階之間並不存在直接耦合。這是透過同時應用兩個Landau-Zener-Stückelberg-Majorana（LZSM）過程實現的。第一激發態在協議結束時是空的，就好像它被完全跳過了一樣。這種技術規避了禁止從基態直接進入第二態的物理限制。其結果是一個更穩健、資訊效率更高的協議，可應用於量子電腦等領域，以提升其效能。

利用二階過程，可以在量子動力學中實現新的控制方案。研究表明，LZSM轉換可以推廣到三能階系統中的虛態過程，採用相位調製驅動，兩個光子將系統從第一能階激發到第三能階，同時避開第二能階。研究人員在電晶體中實驗實現了這一過程，達到了98%的人口轉移。他們預測並觀察到LZSM速度翻倍。此外，還證明了對振幅和頻率偏移的穩健性，這得益於第四態的存在幾乎完全消除了雙光子交流斯塔克偏移。

「我們開發了一種電控脈衝，透過使用涉及第一態的虛擬過程，將量子位元從基態改變到第二態。」第一作者比約克曼說：「我們的方法有很多優點，包括不需要完全知道轉換頻率，只要有粗略的估計就足夠了。」

傳統上，類似的結果需要高度複雜的控制方案和精細的微調。「增加這類系統的能階數量會大幅增加其複雜性。我們這種方法的好處之一就是可以更容易地添加第三個狀態，」庫茲曼諾維奇說。

精確控制與現實世界的影響

更棒的是，新方法展示了高轉移機率，並對量子位元頻率漂移表現出令人印象深刻的穩健性。它也適合作為多能階量子運算架構的控制方法。

「通常，如果你有一個多能階系統，你當然可以加入一些輻射，但你很可能會激發出許多你不想要的狀態。我們的研究結果表明，即使在頻率漂移的系統中，也能非常精確地鎖定目標狀態。」帕勞阿努說：「想像一下，你正在掃描你喜歡的電台：我們的方法可以讓你跳過頻率，收聽你喜歡的電台，即使你無法非常精確地調頻。這種方法減少了量子電腦的一些硬體開銷。」

除了更好的控制之外，繞過能態還為從相同數量的類量子位元器件中擠出更多運算能力鋪平了道路。

• 編譯自/ScitechDaily