在2022 年6 月23 日發表於《自然·物理學》期刊上的一篇文章中，科學家們介紹了一種新穎的“量子長笛”（quantum flute），特點是能夠誘使光子同步移動、並相互作用。儘管這在自然界中幾乎從未發生過，但該設備還是有望幫助改進未來的量子計算機設計。

（來自：University of Chicago）

與同名樂器類似，這款“量子長笛”的本體也是一塊金屬、中間有個長空腔，並在表面留有一系列開孔。

不同的是，這款裝置並非為聲學應用、而是專為光學應用而設計。研究一作David Schuster 表示：

與在樂器中一樣，你能夠在整個物體上發送一個或多個波長的光子。

每個波長都會產生一個’音符’，而我們可將之用於編碼量子信息。

（圖自：Schuster Lab）

研究團隊稱，這些不同的“註釋”，可以像數據的量子比特（qubits）一樣工作。

這意味著它們可被用於為量子計算機打造新型內存、或幫助糾正這項技術容易出現的錯誤。

研究配圖- 1：實驗系統示意圖

實驗期間，研究人員得以使用超導電路作為主量子位，同時控制多達五個“音符”（量子比特）的相互作用。

這表明，在擴大了系統規模後，它可極大地簡化未來量子計算機的控制方式。

研究配圖- 2：使用最優策略對量子比特進行通用控制

David Schuster 解釋稱：“如果你想要打造一台擁有1000 個量子比特的計算機，並希望通過一個量子位來控制所有這些量子比特，那其價值也會被充分彰顯”。

至於實驗用的這塊鑽有孔的量子槽，它能夠捕獲並操縱不同波長的光子來編碼量子信息。但它最奇特的地方，就在於做到了自然界中極為罕見的事情。

研究配圖- 3：通過光子阻滯產生多模N 體相互作用

這些光粒子通常不會相互作用，意味著它們會直接略過、甚至相互穿過。但在某些條件下，它們偶爾可以成對相互作用。

而在新裝置中，研究團隊設法成功地讓系統中的所有光子，在能量達到了臨界點後立即相互作用。

研究配圖- 4：多模式Wigner 斷層掃描

David Schuster 補充道：“通常情況下，大多數粒子的相互作用都是一對一的—— 或相互彈跳、或相互吸引”。

如果你加入第三個粒子，它們通常仍會按順序與其中一個交互—— 但新系統讓所有粒子都同時互動。

芝加哥大學Schuster Lab 實驗室成員合照

最後，研究團隊表示，隨著量子計算機的發展，這種不新廠的群體行為，有望開啟物理學或其它以往可能未觀察到的量子現象的新方法。

有關這項研究的詳情，可移步至《自然·物理學》（Nature Physics）或《物理評論快報》（Physical Review Letters）查看全文。