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物理系团队首次在超导量子系统中实现超辐射态和亚辐射态的可控切换

编辑: 时间:2020年01月07日 访问次数:0

近日,浙江大学物理学系和量子信息交叉研究中心王大伟研究员、王浩华教授和中科院物理所郑东宁研究员领导的联合研究团队,首次在超导量子系统中实现了单光子超辐射态和亚辐射态的可控切换,并进一步研究了双光子亚辐射态子空间中的特征行为。相关成果发表于202012日的Physical Review Letters(物理评论快报)上。

超辐射描述了量子光学中的多原子相干辐射行为:当N个原子聚集在一个小于辐射波长的空间内时,单个原子的辐射会和其它原子的辐射相干叠加,从而引起整体辐射的速率增加倍。如果此时能够单独调控每个原子的辐射相位,当这些相位满足特定关系时,整体辐射会被相干抵消,这种行为被称之为亚辐射。

超辐射可以被应用在量子通讯,超窄线宽激光器以及高灵敏重力计等方面。在量子信息领域,超辐射可以用于量子存储的快速写入和读取,与之相应的亚辐射可以被用来做量子存储。但要实现这些应用,首先必须要能够在超辐射和亚辐射之间实现快速切换,这是该项研究的重点。

超导量子处理器有高度的可操控性,为研究超辐射和亚辐射间的快速切换技术提供了可能。研究团队通过中心耦合腔将单个光子共享于多个量子比特中,制备了多达10个量子比特的纠缠态(W态),该态向中心腔反向辐射光子的过程即是超辐射。研究团队实验制备了包含不同量子比特数的超辐射态,验证了辐射速率随量子比特倍的增加规律。随后,通过对处于超辐射态的量子比特施加高精度的相位门操控,研究团队实现了多达8比特的超辐射态到亚辐射态的快速切换。保持该状态一段时间后,通过再次施加相位门操控,亚辐射态又可以恢复为超辐射态。整个过程模拟了量子态写入、存储和读取的过程,为将来实现量子信息的存储技术奠定了基础。


3-8个量子比特所形成的亚辐射态向超辐射态的快速切换表征

 

虽然单光子亚辐射态对中心空腔的辐射为零,但当腔中存在额外光子时,亚辐射态仍然可以从腔中吸收光子。研究团队首次实验验证了这一现象,并发现对于双光子亚辐射单态无论在腔中是否存在光子都不和腔发生能量交换。该特性可以被用于制备逻辑比特以抵御环境噪音的消相干干扰。

该实验由超导量子计算团队的博士后王震负责完成,他也是论文的第一作者。实验器件是由中科院物理所李贺康博士(现浙江大学物理系博士后)和宋小会副研究员制备。浙大王大伟团队的博士后冯伟参与了数值模拟和理论分析。其他作者包括浙大物理系博士研究生宋超,刘武新,郭秋江,张叙和董航。

实验平台的搭建得到了浙大“双一流”建设专项经费的支持。这一研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和中科院重点研究计划的支持。

文章链接:https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.124.013601