一圈超导量子比特可以容纳微波光子的“束缚态”，其中光子往往聚集在相邻的量子比特位点上。图片来源：Google Quantum AI

使用量子处理器，研究人员可以使微波光子具有异常的“粘性”。在诱使它们聚集成束缚态后，他们发现这些光子簇在某种状态下存活了，而根据原来预测光子簇本应在这种状态下分解成光子通常的、孤立的状态。由于这一发现最初是在量子处理器上进行的，它标志着量子处理器平台在研究量子动力学方面发挥着越来越大的作用。

光子——光或微波等电磁辐射的量子包——通常不会相互作用。例如，两束交叉的手电筒光束可以不受干扰地穿过彼此。然而，可以使微波光子在超导量子比特阵列中相互作用。

Google Quantum AI 的研究人员在12月7日发表在《自然》杂志上的“相互作用微波光子的稳健束缚态的形成”中描述了他们如何设计这种不寻常的情况。他们研究了一个由24个超导量子比特组成的环，它可以容纳微波光子。通过将量子门应用于成对的相邻量子比特，光子可以通过在相邻位置之间跳跃并与附近的光子相互作用来四处传播。

光子之间的相互作用影响了它们的“相位”。相位跟随着光子波函数的振荡。当光子不相互作用时，它们的相位累积是相当单调的：就像排练良好的合唱团一样，它们都是同步的。在这种情况下，最初位于另一个光子旁边的光子可以从其邻居身边跳开而不会不同步。正如合唱团中的每个人都为这首歌做出贡献一样，光子可以选择的每条可能路径都对光子的整体波函数有贡献。最初聚集在相邻位置的一组光子将演化成每个光子可能采取的所有可能路径的叠加。

而当光子与相邻光子发生了相互作用时，情况就不再如此。如果一个光子跳离它的邻居，它的相位积累速度会发生变化，与邻居不再同步。光子分裂的所有路径都重叠，导致相消干涉。就像每个合唱团成员都按照自己的节奏唱歌一样——整体歌曲本身被冲淡了，变得无法从个别歌手的喧嚣中辨别出来。最后在所有可能的配置路径中，唯一可能幸存的情况，就是所有光子在束缚态下保持聚集在一起的配置。这就是为什么光子相互作用可以增强并导致束缚态形成的原因：它会抑制光子未束缚在一起的所有其他可能性。

为了严格证明束缚态的行为确实与粒子一样，具有明确定义的物理量，例如能量和动量，研究人员开发了新技术来测量粒子的能量如何随动量变化。通过分析光子之间的相关性如何随时间和空间变化，他们能够重建所谓的“能量-动量色散关系”，从而证实了束缚态的类粒子性质。

束缚态的存在本身并不新鲜——在一个称为“可积体系”的体系中，动力学要简单得多，十年前就已经预测和观察到了束缚态。但除了可积性之外，还有混沌。在这个实验之前，人们曾想当然地假设束缚态会在混沌中分崩离析。为了测试这一点，研究人员通过将简单的环形几何形状调整为更复杂的齿轮状连接量子比特的网络，超越了可积性。他们惊讶地发现：束缚态在混沌状态下持续存在。 

Google Quantum AI的团队仍然不确定这些束缚态从何处获得了意想不到的弹性，但这可能与一种称为“预热化”的现象有关，在这种现象中不兼容的能量尺度可能会阻止系统像其他方式一样迅速地达到热平衡。

研究人员预计，研究该系统将为多体量子动力学提供新的见解，并将激发科学家使用量子处理器平台去获得更多的基础物理学发现。

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参考文献：

DOI: 10.1038/s41586-022-05348-y

编译：王珩

编辑：慕一