一种对称性破缺为通用量子控制开辟道路

内部简报

• 研究人员开发了全球驱动量子系统中的通用控制理论，并在一项里德堡原子实验中演示了有效的三原子相互作用。
• 对于具有均匀最近邻相互作用和全局旋转的一维量子比特链，添加打破镜像对称性的可控场或相互作用可以实现通用量子控制。
• 优化的全局脉冲在八原子链中产生了三原子 ZXZ 相互作用，测量结果显示了拓扑边缘模式的特征。

新闻稿 — 一项新理论确定了全球驱动量子系统实现完全可控所需的条件。在一项里德堡原子实验中，优化的脉冲还创建了一种同时涉及三个原子的相互作用。

Hong-Ye Hu 及其同事的研究即将发表在 Nature Physics 上。链接的手稿是作者的预印本。

许多量子模拟器使用少量的激光场同时作用于每个原子。这种共享控制可以使大型系统更容易操作，但它提出了一个基本问题：一个全局受控的设备能否执行全范围的量子操作，还是仅限于其硬件内置的相互作用？

对于一维量子比特链，研究人员证明了一个精确的规则。在具有均匀相邻量子比特相互作用和全局旋转的情况下，剩下的障碍是镜像对称性：链两端的原子是不可区分的。添加一个打破该对称性的可控相互作用或场，通用量子控制就变得可行。该团队还将相关结果扩展到了费米子和玻色子系统。

为了将该理论转化为可用于实验室的方法，团队开发了直接量子最优控制，该方法在搜索脉冲序列的同时考虑了激光的实际限制和原子运动。在里德堡原子阵列中，优化的全局脉冲产生了有效 ZXZ 相互作用的动力学：一种由三个相邻原子共享的耦合，超出了设备原生的配对相互作用。该目标还要求在通常的里德堡封锁机制之外工作，在这种机制下，强相互作用通常会抑制附近的激发并使控制更容易。

在一个由八个原子组成的链中，测量结果显示，当链的其余部分演化时，末端原子保留了独特的信号和相关性——这是拓扑边缘模式的特征。论文中的数值结果还表明，随机全局脉冲可以快速传播量子信息，特征测量统计数据在仅随原子数量对数增长的时间尺度上出现。

总之，这些结果将数学答案与实际控制方法联系起来：全局场可以支持比硬件内置相互作用本身所暗示的丰富得多的量子动力学。