物理學(xué)家和工程師長期以來一直對(duì)創(chuàng)造新的物質(zhì)形式感興趣，這些物質(zhì)通常在自然界中不存在。這樣的材料有一天可能會(huì)在例如新型計(jì)算機(jī)芯片中使用。除了應(yīng)用之外，它們還揭示了關(guān)于宇宙基本運(yùn)作的難以捉摸的見解。麻省理工學(xué)院最近的工作創(chuàng)造并表征了新的量子系統(tǒng)，展示了動(dòng)態(tài)對(duì)稱性——特定類型的周期性重復(fù)的行為，如折疊并隨時(shí)間反射的形狀。

       “我們需要解決兩個(gè)問題，”核科學(xué)與工程教授 Paola Cappellaro 實(shí)驗(yàn)室的研究生李昌浩說。Li 最近與 Cappellaro 和研究生王國慶一起在《物理評(píng)論快報(bào)》上發(fā)表了這項(xiàng)工作。“第一個(gè)問題是我們需要設(shè)計(jì)這樣一個(gè)系統(tǒng)。第二，我們?nèi)绾伪碚魉课覀內(nèi)绾斡^察這種對(duì)稱性？”
       具體來說，量子系統(tǒng)由直徑約一毫米的金剛石晶體組成。該晶體包含許多由晶格間隙附近的氮原子引起的許多缺陷- 所謂的氮空位中心。就像電子一樣，每個(gè)中心都有一個(gè)稱為自旋的量子特性，具有兩個(gè)離散的能級(jí)。因?yàn)樵撓到y(tǒng)是一個(gè)量子系統(tǒng)，所以自旋不僅可以在一個(gè)能級(jí)中找到，也可以在兩個(gè)能級(jí)的組合中找到，就像薛定諤的理論貓一樣，它可以同時(shí)生死。
       該系統(tǒng)的能級(jí)由其哈密頓量定義，研究人員通過微波控制設(shè)計(jì)了其周期性時(shí)間依賴性。如果系統(tǒng)的哈密頓量不僅在每個(gè)時(shí)間段 t 之后都相同，而且在例如每個(gè) t/2 或 t/3 之后都相同，則稱該系統(tǒng)具有動(dòng)力學(xué)對(duì)稱性，例如將一張紙對(duì)折或?qū)φ郏员銢]有部分突出。北京計(jì)算科學(xué)研究所的博士后 Georg Engelhardt 沒有參與這項(xiàng)工作，但他自己的理論工作作為基礎(chǔ)，將對(duì)稱性比作吉他泛音，其中一根弦可能以 100 赫茲和 50 赫茲的頻率振動(dòng)。
       為了誘導(dǎo)和觀察這種動(dòng)態(tài)對(duì)稱性，麻省理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)首先使用激光脈沖初始化系統(tǒng)。然后他們將各種選定頻率的微波輻射指向它并讓它進(jìn)化，讓它吸收和發(fā)射能量。“令人驚奇的是，當(dāng)你添加這樣的驅(qū)動(dòng)時(shí)，它可以表現(xiàn)出一些非常奇特的現(xiàn)象，”李說。“它會(huì)有一些周期性的震動(dòng)。” 最后，他們向它發(fā)射另一個(gè)激光脈沖并測(cè)量它發(fā)出熒光的可見光，以測(cè)量它的狀態(tài)。測(cè)量只是一個(gè)快照，所以他們重復(fù)了多次實(shí)驗(yàn)，拼湊出一種翻書，描述其隨時(shí)間變化的行為。
       “非常令人印象深刻的是，他們可以證明他們對(duì)量子系統(tǒng)有這種令人難以置信的控制，”恩格爾哈特說。“解方程很容易，但在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)非常困難。”
       至關(guān)重要的是，研究人員觀察到哈密頓量的動(dòng)態(tài)對(duì)稱性——系統(tǒng)能級(jí)的諧波——決定了一種狀態(tài)和另一種狀態(tài)之間可能發(fā)生的轉(zhuǎn)換。“而這項(xiàng)工作的新穎之處，”王說，“還在于我們引入了一種工具，可用于表征任何量子信息平臺(tái)，而不僅僅是鉆石中的氮空位中心。它具有廣泛的適用性。” Li 指出，他們的技術(shù)比以前的方法更簡(jiǎn)單，以前的方法需要恒定的激光脈沖來驅(qū)動(dòng)和測(cè)量系統(tǒng)的周期性運(yùn)動(dòng)。
       一個(gè)工程應(yīng)用是在量子計(jì)算機(jī)中，即操縱量子位的系統(tǒng)，這些位不僅可以是 0 或 1，還可以是 0 和 1 的組合。鉆石的自旋可以在其兩個(gè)能級(jí)中編碼一個(gè)量子位。
       量子位是微妙的：它們很容易分解成簡(jiǎn)單地位，1 或 0。或者量子位可能成為 0 和 1 的錯(cuò)誤組合。“這些用于測(cè)量動(dòng)態(tài)對(duì)稱性的工具，”恩格爾哈特說，“可以用作健全性檢查您的實(shí)驗(yàn)是否已正確調(diào)整 - 并且具有非常高的精度。” 他注意到量子計(jì)算機(jī)中的外部擾動(dòng)問題，他將其比作失諧的吉他。通過調(diào)整弦的張力——調(diào)整微波輻射——使諧波符合一些理論對(duì)稱性要求，可以確保實(shí)驗(yàn)得到完美校準(zhǔn)。
       MIT 團(tuán)隊(duì)已經(jīng)將目光投向了這項(xiàng)工作的擴(kuò)展。“下一步是將我們的方法應(yīng)用于更復(fù)雜的系統(tǒng)并研究更有趣的物理學(xué)，”李說。他們的目標(biāo)是兩個(gè)以上的能量水平——三個(gè)、10 個(gè)或更多。隨著更多的能級(jí)，它們可以代表更多的量子比特。“當(dāng)你有更多的量子比特時(shí)，你就會(huì)有更復(fù)雜的對(duì)稱性，”李說。“你可以在這里使用我們的方法來表征它們。”