光与物质的相互作用分为弱耦合，强耦合，和超强耦合等。人们通过高品质的谐振腔等可以实现强耦合，并且由此调控二能级原子（量子比特）在高低能级之间翻转，实现量子计算。计算时间和耦合强度成反比，因此超强耦合能够带来更快的计算速度，但同时也会激发出无穷多个光子数态，导致比特无法完全翻转。如何利用超强耦合实现快速量子计算以及量子态的确定性制备是一个重要的前沿问题。
湘潭大学物理与光电工程学院彭杰与合作者对描述多比特与多模光场超强耦合系统的Rabi模型进行解析求解，发现了光子数上限为1的特殊暗态解，而一般情况下其解必然包含无穷多个光子数态。该解的光子数局限于0和1，并且在任意耦合区能量为常数（如图a所示），我们由此设计了一个绝热演化方案（如图b所示），可以同时确定性地制备两比特Bell态以及任意的单光子多模W态，并且能够在超导量子电路中实现其可控存储与释放（如图c所示）。该方案既能利用超强耦合的优点，又可以避免其动力学复杂性，W态的制备时间可以与最近报道的最快两比特量子门比拟。
该工作是与湘潭大学钟建新教授，西班牙巴斯克大学Enrique Solano教授等人合作完成的， 论文发表于Phys. Rev. Lett. 127, 043604 (2021), 论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.043604。
一般来说，比特与光场的超强耦合必然激发出无穷多个光子数态，因此人们无法实现光子数态的确定性制备。我们利用两比特与多模光场超强耦合系统的光子数上限为1的特殊暗态解，根据超导量子电路实现了一种重要的单光子多模纠缠态-W态的快速确定性制备，存储与释放。这为利用超强耦合实现量子态的快速制备提供了一种思路。其它多比特多模光场的特殊暗态解的应用，以及光子数存在下限的特殊解是值得探索的课题。
原文刊载于【InfoMat】公众号
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