谷歌量子AI研究团队使用24个超导量子比特的量子处理器上使微波光子聚在一起成为束缚态，然后发现这些光子团在一种预期会溶解成通常的孤立态的条件下存活下来。这一发现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着越来越大的作用。该成果于12月7日发表在《自然》杂志上。
在真空中传播的光子不会相互作用。然而，许多技术应用和基础物理研究都需要相互作用的光子。因此，实现光子之间具有强的相互作用的量子平台构成了一个主要的科学目标。在这方面，超导电路是很有希望的候选者，因为它们提供了一个可配置的晶格，在该晶格中，离散数量的光子可以被限制在量子比特位置，在格点之间跳转并发生交互。耦合元件的可调谐性使光子能够在两个点位之间跳跃，量子比特的非线性导致光子之间的相互作用。
谷歌团队研究了一个能够容纳微波光子的24个超导量子比特环。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节点之间跳跃并与相邻光子相互作用来行进。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，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”的体系中并不新鲜，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，人们有理由假设束缚态会在混乱中崩溃。为了验证这一点，研究人员通过将简单的环几何结构调整为更复杂的连接量子比特的齿轮形网络，超越了可积性。他们惊讶地发现，束缚态会在混沌状态下持续存在。
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恢复力，但这可能与一种叫做“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。研究人员希望，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。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-022-05348-y
报道链接：
https://phys.org/news/2022-12-quantum-processor-reveals-bound-states.html