科学家用量子长笛实现了光子的一对多同步和相互作用

　　在2022年6月23日发表于《自然物理学》期刊上的一篇文章中，科学家们介绍了一种新颖的量子长笛（quantumflute），特点是能够诱使光子同步移动、并相互作用。尽管这在自然界中几乎从未发生过，但该设备还是有望帮助改进未来的量子计算机设计。
　　（来自：UniversityofChicago）
　　与同名乐器类似，这款量子长笛的本体也是一块金属、中间有个长空腔，并在表面留有一系列开孔。
　　不同的是，这款装置并非为声学应用、而是专为光学应用而设计。研究一作DavidSchuster表示：与在乐器中一样，你能够在整个物体上发送一个或多个波长的光子。
　　每个波长都会产生一个‘音符’，而我们可将之用于编码量子信息。
　　（图自：SchusterLab）
　　研究团队称，这些不同的注释，可以像数据的量子比特（qubits）一样工作。
　　这意味着它们可被用于为量子计算机打造新型内存、或帮助纠正这项技术容易出现的错误。
　　研究配图1：实验系统示意图
　　实验期间，研究人员得以使用超导电路作为主量子位，同时控制多达五个音符（量子比特）的相互作用。
　　这表明，在扩大了系统规模后，它可极大地简化未来量子计算机的控制方式。
　　研究配图2：使用最优策略对量子比特进行通用控制
　　DavidSchuster解释称：如果你想要打造一台拥有1000个量子比特的计算机，并希望通过一个量子位来控制所有这些量子比特，那其价值也会被充分彰显。
　　至于实验用的这块钻有孔的量子槽，它能够捕获并操纵不同波长的光子来编码量子信息。但它最奇特的地方，就在于做到了自然界中极为罕见的事情。
　　研究配图3：通过光子阻滞产生多模N体相互作用
　　这些光粒子通常不会相互作用，意味着它们会直接略过、甚至相互穿过。但在某些条件下，它们偶尔可以成对相互作用。
　　而在新装置中，研究团队设法成功地让系统中的所有光子，在能量达到了临界点后立即相互作用。
　　研究配图4：多模式Wigner断层扫描
　　DavidSchuster补充道：通常情况下，大多数粒子的相互作用都是一对一的或相互弹跳、或相互吸引。
　　如果你加入第三个粒子，它们通常仍会按顺序与其中一个交互但新系统让所有粒子都同时互动。
　　芝加哥大学SchusterLab实验室成员合照
　　最后，研究团队表示，随着量子计算机的发展，这种不新厂的群体行为，有望开启物理学或其它以往可能未观察到的量子现象的新方法。
　　有关这项研究的详情，可移步至《自然物理学》（NaturePhysics）或《物理评论快报》（PhysicalReviewLetters）查看全文。