量子點(diǎn)是一種人造的納米結(jié)構(gòu)，它可以限制電子在三個(gè)空間維度上的運(yùn)動(dòng)，從而形成離散的能級(jí)。量子點(diǎn)可以用來實(shí)現(xiàn)量子比特，也就是量子計(jì)算中的基本單元。量子比特可以處于0和1的疊加態(tài)，從而具有比經(jīng)典比特更強(qiáng)大的信息處理能力。

為了實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算，我們需要能夠操控和讀出量子比特的狀態(tài)。一種常用的方法是利用電磁場與量子比特的相互作用。例如，我們可以用微波場來驅(qū)動(dòng)量子比特之間的轉(zhuǎn)換，或者用諧振腔來增強(qiáng)量子比特與外界的耦合。這種基于電磁場的操控和讀出方案被稱為電路量子電動(dòng)力學(xué)（circuit quantum electrodynamics，cQED）。

在cQED系統(tǒng)中，通常假設(shè)腔體與量子比特之間的耦合是弱到中等程度的，也就是說，腔體的頻率遠(yuǎn)大于耦合強(qiáng)度。在這種情況下，我們可以用所謂的色散耦合近似來描述系統(tǒng)的行為。色散耦合近似的基本思想是，腔體的頻率會(huì)根據(jù)量子比特的狀態(tài)而發(fā)生微小的變化，從而導(dǎo)致腔體輸出信號(hào)的相位或幅度發(fā)生變化。通過測量腔體輸出信號(hào)，我們就可以間接地讀出量子比特的狀態(tài)。

然而，在一些情況下，腔體與量子比特之間的耦合可能會(huì)非常強(qiáng)，甚至超過腔體本身的頻率。在這種情況下，色散耦合近似就不再適用了，因?yàn)榍惑w和量子比特之間會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的能量交換和干涉。這種強(qiáng)耦合情況下的cQED系統(tǒng)具有許多新奇和有趣的物理現(xiàn)象，例如真空拉比振蕩、自旋-光超輻射、多光子躍遷等。

在本文中，我們將介紹一項(xiàng)最新的實(shí)驗(yàn)研究，它探測了兩個(gè)受驅(qū)動(dòng)的雙量子點(diǎn)與腔體強(qiáng)耦合的系統(tǒng)。雙量子點(diǎn)是由兩個(gè)相鄰的量子點(diǎn)組成的結(jié)構(gòu)，它可以用來實(shí)現(xiàn)兩個(gè)量子比特。通過調(diào)節(jié)兩個(gè)量子點(diǎn)之間和外界電壓之間的勢(shì)壘高度，我們可以控制兩個(gè)電子在雙量子點(diǎn)中的分布和隧穿概率。雙量子點(diǎn)可以被視為一個(gè)人造分子，它具有類似于原子分子能級(jí)結(jié)構(gòu)和選擇定則等性質(zhì)。

在實(shí)驗(yàn)中，研究人員使用了一個(gè)由兩個(gè)雙量子點(diǎn)和一個(gè)微波諧振腔組成的cQED系統(tǒng)。他們通過調(diào)節(jié)外加的磁場和電壓，實(shí)現(xiàn)了對(duì)雙量子點(diǎn)的能級(jí)結(jié)構(gòu)和與腔體的耦合強(qiáng)度的精確控制。他們還用一個(gè)單頻微波源來周期性地驅(qū)動(dòng)其中一個(gè)雙量子點(diǎn)，從而產(chǎn)生了一個(gè)時(shí)間依賴的哈密頓量。通過探測腔體的微波響應(yīng)信號(hào)，他們發(fā)現(xiàn)了一些非常有趣的物理現(xiàn)象，例如受驅(qū)動(dòng)雙量子點(diǎn)與腔體之間的弗洛克態(tài)、兩個(gè)雙量子點(diǎn)之間的能級(jí)交叉和反交叉、以及兩個(gè)雙量子點(diǎn)之間的相干耦合。(www.ws46.Com)

為了理解這些現(xiàn)象，研究人員還發(fā)展了一個(gè)新的理論模型，它將腔體視為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的一部分，而不是一個(gè)被動(dòng)的探測器。這個(gè)理論模型可以適用于任意強(qiáng)度的耦合和任意數(shù)量的量子比特。研究人員用這個(gè)理論模型成功地解釋了實(shí)驗(yàn)中觀察到的所有數(shù)據(jù)，并且預(yù)測了一些尚未實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的新效應(yīng)。

這項(xiàng)研究不僅展示了一種新穎和強(qiáng)大的cQED系統(tǒng)，而且也為理解和操控強(qiáng)耦合和多量子比特系統(tǒng)提供了一個(gè)新的視角和工具。這對(duì)于未來實(shí)現(xiàn)大規(guī)模和高性能的量子計(jì)算和量子信息處理具有重要的意義和潛力。