近日，湖南师范大学的研究团队发表了一项创新研究，宣布他们成功在超导量子芯片上实现了基于特异点的少光子控制。这种非厄米物理系统，可以在微波传输过程中实现单向控制。该工作以“Experimental Realization of On-Chip Few-Photon Control Around Exceptional Points”为题，发表在《Nature Communications》上。
背景：探索量子领域的非厄米系统
近年来，非厄米物理系统凭借在“特异点”（Exceptional Points, EPs）周围表现出的独特性质，吸引了广泛关注。传统上，这类系统的单向传输与不对称传播效应已在经典物理中得到广泛研究，但其在量子领域的应用仍存在众多未解之谜。研究团队利用超导量子电路，在少光子水平观察到了单向微波传输现象，这一突破为量子信息处理的非对称传输提供了新的可能性。
实验设计：构建非厄米量子耦合腔系统
该团队通过设计一个包含两个不同衰减率的腔体和三台可调节的量子位（包括两个用于频率调控的辅助量子位和一个用于耦合的量子位）构成的非厄米系统，观察了相变和特异点现象。这种系统通过控制耦合强度，实现在少光子情况下的单向传输，展示了在EP周围增强的非线性效应。
在实验过程中，研究人员使用了超导共平面波导（CPW）腔，通过可调间隙通量量子位实现腔间耦合，实验中能够切换在弱耦合和强耦合状态下的单向传输性能。当有效耦合强度调至特异点时，两个模式发生共振频率和衰减速率的合并，这一现象为量子通信中的单向传输奠定了基础。
图1. 物理概念示意图
重要发现：少光子单向传输现象
实验结果表明，在少光子条件下，腔体模式能够实现显著的单向传输，这一非对称传输效果在特异点附近得到显著增强。该研究还发现，当系统处于弱耦合状态时，能够观察到最大隔离比达10.1 dB的单向传输现象，而在强耦合状态下这一效果几乎消失。实验表明，这种非对称效应仅在平均光子数为1.5以上时明显，而在光子数减少时，这一非线性效应逐渐减弱
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应用前景：量子信息传输中的新型器件
该研究不仅提供了控制少光子单向传输的新途径，同时为在量子信息处理中的应用提供了有力支持。该团队表示，通过调节外部磁场，可以使得该系统在不同耦合强度下实现可开关的少光子隔离器功能。这类隔离器器件未来有望应用于量子通信中的单向微波传输，实现高效的量子信息传递和处理。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-54199-w
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