1932年量子物理重大發現，改寫量子計算未來

芬蘭阿爾託大學的物理學家們重新詮釋了一項1932年的基礎量子物理發現，這項突破使得量子系統中的能階轉移方式有了全新的可能性。研究團隊利用超導電路，成功展示了一種能夠繞過中間能階、不直接與之互動的轉移方法，這項技術將為更強大、更高效的量子計算開闢新路。

1932年，正值量子力學發展初期，四位著名物理學家——列夫·朗道、克拉倫斯·齊納、恩斯特·斯圖克爾伯格和埃託雷·馬約拉納——共同推匯出一個數學公式，用於計算在時間依賴能量系統中，兩個能階之間轉移的機率。這個公式在物理和化學領域被廣泛應用至今。

阿爾託大學應用物理系的研究團隊現在證實，這種轉移現象也能在多於兩個能階的系統中實現。他們透過虛擬轉移和線性調頻驅動頻率的調整，成功在無法直接修改能量的系統中實現了可控的狀態跳躍。這項研究由博士生伊薩克·比約克曼、博士後研究員馬爾科·庫茲馬諾維奇和副教授索林·帕拉奧努共同完成，並於2月14日發表在《物理評論快報》上。

研究團隊成功將裝置從基態轉移到第二激發態，儘管這兩個能階之間並不存在直接耦合。這是透過同時應用兩個朗道-齊納-斯圖克爾伯格-馬約拉納過程實現的。第一激發態在整個過程中保持空置，彷彿被完全跳過。這項技術突破了物理學中禁止從基態直接轉移到第二能階的限制，創造出更穩健且資訊效率更高的協議，可應用於量子計算等領域，提升其運算能力。

「我們開發了一種電控脈衝，利用涉及第一能階的虛擬過程，將量子位元從基態轉移到第二能階。這方法有許多優點，例如我們不需要精確知道轉移頻率，只要一個粗略估計就足夠了。」第一作者比約克曼表示。

傳統上，類似結果需要極其精密的控制方案和細緻的微調。庫茲馬諾維奇指出：「增加這類系統的能階數量會大幅提升其複雜度。我們的方法讓加入第三態變得更加容易。」

更令人振奮的是，新方法展現了高轉移機率，並對量子位元頻率的漂移表現出驚人的穩健性。這也使其成為多能階量子計算架構的理想控制方法。

帕拉奧努教授比喻道：「通常，如果你有一個多能階系統，當然可以施加一些輻射，但很可能會激發許多你不想要的狀態。我們的研究結果展示瞭如何精確鎖定目標狀態，即使在存在頻率漂移的系統中也是如此。想像你在掃描喜歡的廣播電臺：我們的方法能讓你跳過其他頻率，直接收聽你想要的節目，即使你無法精確調頻。」

除了更好的控制能力，繞過能階還為從相同數量的量子位元裝置中榨取更多計算能力鋪平了道路。帕拉奧努補充道：「這方法減少了量子計算機的一些硬體開銷。」

這項開創性研究使用了低溫實驗室和Micronova製造設施，兩者都屬於芬蘭國家研究基礎設施OtaNano。研究獲得了歐盟OpenSuperQ+計畫的資助，並作為芬蘭科學院量子技術卓越中心計畫的一部分進行。