人类看到周围的世界是因为光线被视网膜中的特殊细胞吸收。但是，视觉可以在没有任何吸收的情况下发生——甚至没有一个光粒子吗？令人惊讶的是，答案是肯定的。
实验方案比以前的方法实现了更高的效率。图片来源：John J. McCord/阿尔托大学。
想象一下，某人有一个相机暗盒，里面可能装有一卷胶卷。滚动非常敏感，即使与单个光子接触也会破坏它。用日常的经典手段，无法知道暗盒中是否有胶卷，但在量子世界中可以做到。安东·蔡林格 ( Anton Zeilinger ) 是 2022 年诺贝尔物理学奖的获得者之一，他是第一个通过实验实现使用光学进行无相互作用实验的想法的人。
现在，在一项探索量子世界和经典世界之间联系的研究中， 芬兰阿尔托大学的Shruti Dogra、 John J. McCord 和 Gheorghe Sorin Paraoanu 发现了一种新的、更有效的方法来进行无相互作用实验。该团队使用 transmon 设备——相对较大但仍显示出量子行为的超导电路——来检测经典仪器产生的微波脉冲的存在。他们的研究最近发表在Nature Communications上。
添加“量子性”层的实验
尽管 Dogra 和 Paraoanu 对 Zeilinger 研究小组所做的工作着迷，但他们的实验室以微波和超导体为中心，而不是激光和镜子。“我们必须使这个概念适应可用于超导设备的不同实验工具。正因为如此，我们还必须以一种关键的方式改变标准的无交互协议：我们通过使用更高能级的 transmon 添加了另一层“量子性”。然后，我们使用由此产生的三能级系统的量子相干性作为资源，”Paraoanu 解释道。
量子相干性是指一个物体可以同时处于两种不同状态的可能性——这是量子物理学所允许的。然而，量子相干性很脆弱，很容易坍塌，所以新协议能否奏效还不是很明显。令团队惊喜的是，实验的第一轮显示检测效率显着提高。他们多次回到绘图板，运行理论模型来确认他们的结果，并仔细检查所有内容。效果肯定在那里。
“我们还证明，即使是非常低功率的微波脉冲也可以使用我们的协议进行有效检测，”Dogra 说。
该实验还展示了一种新的方式，量子设备可以通过这种方式实现经典设备无法实现的结果——这种现象被称为量子优势。研究人员普遍认为，实现量子优势将需要具有许多量子比特的量子计算机，但该实验使用相对简单的设置证明了真正的量子优势。
许多类型的量子技术的潜在应用
基于效率较低的旧方法的无交互测量已经在光学成像、噪声检测和加密密钥分发等专业过程中得到应用。新的改进方法可以显着提高这些过程的效率。
“在量子计算中，我们的方法可用于诊断某些存储元件中的微波光子状态。这可以被视为一种在不干扰量子处理器功能的情况下提取信息的高效方式，”Paraoanu 说。
由 Paraoanu 领导的小组还在探索使用他们的新方法的其他奇异形式的信息处理，例如反事实通信（双方之间没有任何物理粒子被传输的通信）和反事实量子计算（计算结果是在没有事实上运行计算机）。
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