阿尔托大学的物理学家们重新构想了1932年首次发现的一个基本量子过程，使量子系统中能级之间的转换成为可能，而这在以前被认为是做不到的。利用超导电路，他们展示了一种绕过中间能态而不与之直接相互作用的方法--这一进步可能会带来更强大、更高效的量子计算。
1932 年，在量子力学发展初期，四位著名物理学家--列夫-朗道（Lev Landau）、克拉伦斯-齐纳（Clarence Zener）、恩斯特-施特克尔伯格（Ernst Stückelberg）和埃托雷-马约拉纳（Ettore Majorana）--提出了一个数学公式，用于计算能量随时间变化的系统中两种能量状态之间的转换概率。 多年来，这一公式已被广泛应用于物理学和化学领域。
现在，阿尔托大学应用物理系的研究人员证明，在具有两个以上能级的系统中也能发生类似的跃迁。 通过利用中间状态的虚拟转换和线性啁啾调整驱动频率，他们甚至在无法直接改变能量的系统中也实现了可控的状态跃迁。
由博士研究员伊萨克-比约克曼（Isak Björkman）、博士后研究员马尔科-库兹曼诺维奇（Marko Kuzmanovic）和副教授索林-帕拉奥阿努（Sorin Paraoanu）组成的研究小组成功地在超导电路中实现了这一过程，与量子计算机中使用的超导电路类似。
该论文于2月14日发表在Physical Review Letters上。
用新技术打破限制
研究小组成功地将该器件从地面能级提升到了所谓的第二激发能级，尽管这两个能级之间并不存在直接耦合。 这是通过同时应用两个 Landau-Zener-Stückelberg-Majorana 过程实现的。 第一个激发态在协议结束时是空的，就好像它被完全跳过了一样。 这种技术规避了禁止从地面层直接进入第二层的物理约束。 其结果是一个更稳健、信息效率更高的协议，可应用于量子计算机等领域，以提高其功率。
利用二阶过程可以在量子动力学中实现新的控制方案。 研究表明，兰道-齐纳-斯图克尔伯格-马约拉纳（LZSM）转变可以推广到三电平系统中的虚态过程，采用相位调制驱动，两个光子将系统从第一电平激发到第三电平，同时避开第二电平。 研究人员通过实验在晶体管中实现了这一过程，实现了 98% 的种群转移。 我们预测并观察到 LZSM 速度翻倍。 此外还证明了对振幅和频率偏移的稳健性，这得益于第四态的存在几乎完全消除了双光子交流斯塔克偏移。
"我们开发了一种电控制脉冲，通过使用涉及第一层的虚拟过程，将量子比特的状态从地面层改变到第二层。 "第一作者比约克曼说："我们的方法有很多好处，包括我们不需要完全知道转换频率，只要有一个粗略的估计就足够了。"
传统上，类似的结果需要高度复杂的控制方案和精细的微调。
"增加这类系统的级别数量会大大增加其复杂性。 我们这种方法的好处之一就是可以更容易地添加第三个状态，"库兹曼诺维奇说。
精确控制和现实世界的影响
更妙的是，新方法展示了高转移概率，并对量子比特频率漂移表现出令人印象深刻的鲁棒性。 它也适合作为多级量子计算架构的控制方法。
"通常，如果你有一个多级系统，你当然可以放入一些辐射，但你很可能会激发出很多你可能不想要的状态。 我们的研究结果表明，即使在频率漂移的系统中，也能非常精确地锁定目标状态。 帕劳阿努说："想象一下，你正在扫描你喜欢的电台：我们的方法可以让你跳过频率，收听你喜欢的电台，即使你不能非常精确地调频。这种方法减少了量子计算机的一些硬件开销。"
除了更好的控制之外，绕过能态还为从相同数量的类量子比特器件中榨取更多计算能力铺平了道路。
编译自/ScitechDaily
