日本理化学研究所（RIKEN）的科学家提出了一种新方法，使量子系统仅沿单一方向同步——宛如为被称为声子的声粒子开辟了一条单行道。这一突破结合了两种量子效应，构建了一种单向量子同步形式，即便在存在制造缺陷和环境噪声的情况下，其依然保持着惊人的稳定性。这两大因素长期以来一直是阻碍现实世界量子技术发展的主要障碍。
许多现代技术依赖于行为类似单行道的组件。这些设备允许粒子或信号在一个方向上自由移动，同时极大地限制相反方向的移动。这些设备被称为非互易组件，广泛应用于微波和光学系统中，用于引导信号并减少不必要的反射。
“非互易组件使信号能够沿着期望的路径传输，而在相反方向上则被强烈衰减，”理研量子计算中心（RQC）的Franco Nori指出。“这种能力在从信号处理到隐形斗篷等领域都有应用。”
单向量子同步
研究人员长期以来一直致力于创造一种相关的现象，即非互易量子同步。在此过程中，当信息沿一个方向流动时，两个量子系统会实现同步，但反向则不会发生同步。
尽管人们对此有相当大的兴趣，但开发一种实现该效应的实用方法已被证明是困难的。早期的提议通常容易受到各种限制的影响，使得现实世界的实施具有挑战性。
“实用的量子技术面临着来自随机制造缺陷和环境噪声的关键挑战，”同样来自RQC的Adam Miranowicz指出。“这些因素在传统方法中会深刻抑制——甚至完全破坏——量子资源。”
新方法克服噪声与缺陷
在一项新的理论研究中，Nori、Miranowicz和Deng-Gao Lai开发了一种技术，该技术能够实现声子的非互易量子同步，同时避免了阻碍先前方法的许多障碍。
“这一发展为产生具有未来实用性的、从脆弱转变为稳健的非互易量子资源奠定了新的基础，”Nori说。
他们的策略将两个独立的量子效应结合到一个单一框架中。利用这种方法，当光或磁场从一个方向施加时，声子会变得同步，而当相同的影响来自相反方向时，则不会发生同步。
量子技术令人惊讶的稳健性
研究人员对该系统表现出的稳健性感到特别惊讶。
“我们非常兴奋地发现，即使存在大量的缺陷和噪声，量子同步依然存在，”Lai说。“以前，人们认为如果不采用复杂的保护方案，这是不可能的。”
该团队认为这些发现可能有助于推动实用量子技术的发展，并计划继续探索这一概念。
“通过实现稳健的非互易量子同步，我们的研究为实现更可靠的量子处理器和受保护的量子资源铺平了道路，”Lai评论道。“我们现在正计划探索在量子网络和容错量子信息处理中的应用。”