對一個有百年曆史的數學公式加倍下注，解鎖了更多可控的量子比特

物理學家們發現了一種簡單有效的方法，可以在三態系統中跳過一個能級，這可能會在使用更少量子比特的情況下提高量子計算能力。

近一個世紀前，列夫·朗道（Lev Landau）、克拉倫斯·齊納（Clarence Zener）、恩斯特·施圖克爾貝格（Ernst Stückelberg）和埃託雷·馬約拉納（Ettore Majorana）發現了一個數學公式，用於計算能量隨時間變化的系統中兩個狀態之間躍遷的概率。自那以後，他們的公式在物理和化學的各個系統中有了無數的應用。

現在，阿爾託大學應用物理系的物理學家們已經表明，在具有兩個以上能級的系統中，可以通過向中間態的虛擬躍遷和驅動頻率的線性啁啾來實現不同狀態之間的躍遷。這個過程可應用於無法改變能級能量的系統。

該團隊由博士生研究員伊薩克·比約克曼（Isak Björkman）、博士後研究員馬爾科·庫茲馬諾維奇（Marko Kuzmanovic）和副教授索林·帕勞努（Sorin Paraoanu）組成，他們在一個超導電路中實現了1932年發現的過程，該超導電路與超導量子計算機中使用的電路類似。

這篇論文發表於《物理評論快報》（Physical Review Letters）。

該團隊設法使裝置從基態能級達到所謂的第二激發態能級，儘管這兩個能級之間不存在直接耦合。這是通過同時應用兩個朗道 - 齊納 - 施塔克伯格 - 馬約拉納（Landau - Zener - Stückelberg - Majorana）過程（後文簡稱朗道 - 齊納過程）實現的。

在整個流程結束的時候，第一激發態爲空，就好像它被完全跳過了一樣。該技術規避了一個物理限制，即禁止從基態直接躍遷到第二激發態。這樣就得到了一個更穩健且信息效率更高的協議流程，可應用於量子計算機等領域以提高其性能。

“我們開發了一種電控脈衝，它通過利用一個涉及第一能級的虛擬過程，將量子比特的狀態從基態改變爲第二態。我們的方法有很多優點，包括我們不需要精確地知道躍遷頻率，一個粗略的估計就足夠了，”第一作者比約克曼（Björkman）說道。

傳統上，類似的結果需要非常複雜的控制方案和精細的微調。

“在這種類型的系統中增加能級的數量會極大地增加其複雜性。我們的方法的優點之一是它使添加第三個狀態變得容易得多，”庫茲馬諾維奇（Kuzmanovic）說道。

更妙的是，這種新方法展現出了很高的轉移概率，並且對量子比特頻率的漂移表現出了令人驚歎的穩定性。它也適用於作爲多級量子計算架構的一種控制方法。

“通常，如果你有一個多級系統，你當然可以施加一些輻射，但你極有可能激發許多你可能不想要的狀態。我們的結果表明瞭如何非常精確地定位到預期的狀態，即使是在存在頻率漂移的系統中。想象一下你正在搜索你喜歡的電臺：我們的方法將讓你跳過一些頻率，收聽你喜歡的電臺，即使你不能非常精確地調頻，”帕勞阿努（Paraoanu）說道。

除了能實現更好的控制之外，繞過一個能量狀態爲從相同數量的類似量子比特的設備中獲取更多計算能力鋪平了道路。

“這種方法削減了量子計算機中的一些硬件開銷，”帕勞阿努（Paraoanu）說。

該團隊在其開創性的研究中使用了低溫實驗室（Low - Temperature Laboratory）和微米諾瓦（Micronova）製造設備。兩者都屬於芬蘭國家研究基礎設施奧塔諾（OtaNano）。

更多信息： 伊薩克·比約克曼（Isak Björkman）等人，《雙光子朗道 - 齊納 - 施塔克伯格 - 馬約拉納效應的觀測》，《物理評論快報》（2025年）。 DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.060602

由阿爾託大學提供

這篇報道最初發表於 物理網（Phys.org）。訂閱我們的 新聞簡報以獲取最新的科技新聞動態。