新的量子处理器揭示了光子的束缚态即使在混沌中也很强
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来自谷歌公司的科学家们发现 ， 使用量子处理器可以使微波光子异常粘稠 ， 科学家们诱使它们聚在一起成为束缚态 ， 之后科学家们还发现这些光子团可以在一种预期会溶解成通常的孤立态的状态下存活下来 。 这一发现是首次在量子处理器上实现 ， 标志着这些平台在研究量子动力学方面发挥了越来越大的作用 。
光子和电磁辐射的量子包 ， 如光或微波 ， 通常不会相互作用 ， 就好比两个交叉的手电筒光束不受干扰地相互穿过 ， 但在超导量子比特阵列中 ， 微波光子可以相互作用 。 在今天发表在《自然》杂志上的“相互作用光子强大束缚态的形成”一文中 ， 谷歌量子AI的科学家们详细描述了他们是如何发现这种异常情况的 ， 科学家们研究了一个由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相邻量子比特对 ， 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而四处传播 。
光子之间的相互作用影响了它们的相位 ， 相位跟踪光子波函数的振荡 ， 当光子不相互作用时 ， 它们的相位积累相当规则 ， 就像一个合格的合唱团 ， 他们彼此同步 。 在这种情况下 ， 最初与另一个光子相邻的光子可以跳离其邻居而不失同步 。 就像唱诗班里的每个人都为这首歌做出贡献一样 ， 换了位置也可以保持同步 ， 而光子所能走的每一条可能的路径都有助于光子的整体波函数 ， 最初聚集在相邻地点的一组光子将演变成每个光子可能采取的所有可能路径的叠加 。
当光子与其邻居相互作用时 ， 情况不再如此 。 如果一个光子跳离它的邻居 ， 它的相位累积速率就会改变 ， 变得与邻居不同步 。 光子分裂的所有路径都重叠 ， 导致破坏性干涉 。 就像每个合唱团成员都按照自己的节奏唱歌一样 ， 歌曲本身就听不清楚了 ， 无法从各个歌手的嘈杂声中辨别出来 。
在所有可能的配置路径中 ， 唯一幸存的可能场景是所有光子以绑定状态聚集在一起的配置 。 这就是为什么相互作用可以增强并导致束缚态的形成：通过抑制光子不被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 ， 具有明确定义的量 ， 如能量和动量 ， 谷歌的科学家们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 ， 现在他们能够重建能量 ， 动量和色散关系 ， 从而确认束缚态的粒子性质 。
束缚态的存在本身在一个被称为可积态的量子科学领域中并不新鲜 ， 在这个体系中 ， 动力学要简单得多 ， 束缚态在十年前就已经被预测和观察到了 。 但在可积性之外 ， 混沌占据了主导地位 。 在这个实验之前 ， 科学家们只是假设束缚态会在混沌中崩溃 。 为了验证这一点 ， 谷歌通过将简单的环几何结构调整为更复杂的连接量子位的齿轮形网络 ， 超越了可积性 。 谷歌量子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 ， 但这极有可能与一种叫做预热化的现象有关 ， 在这种现象中 ， 系统中不相容的能量尺度可以阻止系统像其他情况一样快速达到热平衡 。
科学家们希望 ， 研究这一系统将导致对许多身体量子动力学的新见解 ， 并激发使用量子处理器的更基本的物理学发现 。
【新的量子处理器揭示了光子的束缚态即使在混沌中也很强】
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