科學家按需開啟暗模式，量子效應不再被其阻斷

通過注入精心設計的量子信號，研究人員恢復了聲子流，并重新喚醒了曾被隱藏態所關閉的效應。

在奇異的量子物理世界中，有些效應不僅難以控制——它們完全隱匿不見。這些所謂的"暗模式"靜靜地存在于量子系統內部，拒絕與外部信號互動，更糟的是，它們會關閉科學家們想要利用的那些行為。

如今，日本理化學研究所量子計算研究中心的一項新研究，提出了一個解決此難題的巧妙方法。通過短暫地讓這些不可見模式變得可見，他們開辟了一條道路，得以控制那些此前遙不可及的量子效應。

這項"研究描繪了一條通用路徑，用以生成一種截然不同的拓撲量子資源，該資源對暗模式和暗態都具有免疫力，"研究作者指出。

這一進展可能會改變未來量子設備存儲和傳輸信息的方式，尤其是在那些處理最小尺度上光與聲的系統中。

暗模式造成的困局

要理解這一突破，需先了解相關背景。研究人員當時正在研究非厄米系統——這是一類能夠與周圍環境交換能量的量子系統。

這些系統已成為熱門話題，因為它們可以承載不尋常的拓撲效應。簡單來說，這里的"拓撲"指的是即使系統受到輕微擾動也能保持穩定的特性，這使其在構建穩健的量子技術方面極具吸引力。

在此類系統中，光子（光）或聲子（聲振動）等粒子可以被引導以受控方式運動——例如，被迫只沿一個方向移動。

"拓撲操作會導致各種奇異而迷人的現象，比如手性相的建立和聲子的單向運動，"該研究的作者之一、理化學研究所科學家Franco Nori解釋道。

然而，這里有一個難題。量子系統不止有一種運動或激發模式——它們有很多種。其中一些是"亮模式"，能與外部信號互動并受其控制。

另一些則是"暗模式"，它們完全解耦。它們根本不響應驅動場——就像機器里你看不見、也摸不到的隱藏齒輪。

這些暗模式造成了一個嚴重的問題。當它們存在時，"不同模式之間的轉換以及聲子的拓撲傳輸都會中斷，而且這些效應無法通過常規手段恢復，"Nori解釋說。

這意味著沒有可控的能量傳輸，沒有定向運動，也沒有有用的量子操作。傳統的修復方法——比如微調系統參數——都不起作用，因為暗模式從根本上就處于斷開狀態。

智勝暗模式的方法

理化學研究所的團隊采取了不同的方法。他們沒有試圖消除暗模式，而是決定對它們進行重新編程。他們向系統中引入了精心設計的人工量子信息。

盡管這個術語聽起來抽象，但思路很直接。他們加入了特定的量子輸入，這些輸入改變了不同模式之間的互動方式。這種工程手段有效地迫使暗模式暫時與系統耦合——將它們轉變為亮模式。

一旦發生這種情況，先前被阻斷的拓撲效應便會重新活躍起來。聲子可以再次以受控方式運動，不同模式可以按預期交換能量。至關重要的是，這種轉變并非隨機——而是精確且可控的。

"我們興奮不已。這種人為設計的轉變使拓撲操作成為可能——這在以前由于暗模式的存在是無法實現的，"該研究作者之一、理化學研究所博士后研究員Deng-Gao Lai說道。

最令研究人員驚訝的是，這種方法竟如此穩健。即便在他們預計系統會失效的條件下，人為設計的轉變依然穩固有效。這表明該方法不只是一套理論，它有可能在實際設備中發揮作用。

"我們的工作為構建可擴展的量子設備和發現新的拓撲現象鋪平了道路，"Lai說。

該研究發表于期刊《自然·通訊》。

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