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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，使得量子系统中能阶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、更高效的量子运算。

1932年，在量子力学发展初期，四位着名物理学家——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机率。多年来，这个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，在具有两个以上能阶的系统中也能发生类似的跃迁。透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，类似于量子电脑中使用的超导电路。

该论文于2月14日发表在《物理评论快报》上。

用新技术打破限制

研究小组成功地将该器件从基态能阶提升到所谓的第二激发能阶，儘管这两个能阶之间并不存在直接耦合。这是透过同时应用两个Landau-Zener-Stückelberg-Majorana（LZSM）过程实现的。第一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基态直接进入第二态的物理限制。其结果是一个更稳健、资讯效率更高的协议，可应用于量子电脑等领域，以提升其效能。

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，LZSM转换可以推广到三能阶系统中的虚态过程，採用相位调制驱动，两个光子将系统从第一能阶激发到第三能阶，同时避开第二能阶。研究人员在电晶体中实验实现了这一过程，达到了98%的人口转移。他们预测并观察到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脉冲，透过使用涉及第一态的虚拟过程，将量子位元从基态改变到第二态。」第一作者比约克曼说：「我们的方法有很多优点，包括不需要完全知道转换频率，只要有粗略的估计就足够了。」

传统上，类似的结果需要高度複杂的控制方案和精细的微调。「增加这类系统的能阶数量会大幅增加其複杂性。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。

精确控制与现实世界的影响

更棒的是，新方法展示了高转移机率，并对量子位元频率漂移表现出令人印象深刻的稳健性。它也适合作为多能阶量子运算架构的控制方法。

「通常，如果你有一个多能阶系统，你当然可以加入一些辐射，但你很可能会激发出许多你不想要的状态。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：「想像一下，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，即使你无法非常精确地调频。这种方法减少了量子电脑的一些硬体开销。」

除了更好的控制之外，绕过能态还为从相同数量的类量子位元器件中挤出更多运算能力铺平了道路。