科学家按需开启暗模式，量子效应不再被其阻断

通过注入精心设计的量子信号，研究人员恢复了声子流，并重新唤醒了曾被隐藏态所关闭的效应。

在奇异的量子物理世界中，有些效应不仅难以控制——它们完全隐匿不见。这些所谓的"暗模式"静静地存在于量子系统内部，拒绝与外部信号互动，更糟的是，它们会关闭科学家们想要利用的那些行为。

如今，日本理化学研究所量子计算研究中心的一项新研究，提出了一个解决此难题的巧妙方法。通过短暂地让这些不可见模式变得可见，他们开辟了一条道路，得以控制那些此前遥不可及的量子效应。

这项"研究描绘了一条通用路径，用以生成一种截然不同的拓扑量子资源，该资源对暗模式和暗态都具有免疫力，"研究作者指出。

这一进展可能会改变未来量子设备存储和传输信息的方式，尤其是在那些处理最小尺度上光与声的系统中。

暗模式造成的困局

要理解这一突破，需先了解相关背景。研究人员当时正在研究非厄米系统——这是一类能够与周围环境交换能量的量子系统。

这些系统已成为热门话题，因为它们可以承载不寻常的拓扑效应。简单来说，这里的"拓扑"指的是即使系统受到轻微扰动也能保持稳定的特性，这使其在构建稳健的量子技术方面极具吸引力。

在此类系统中，光子（光）或声子（声振动）等粒子可以被引导以受控方式运动——例如，被迫只沿一个方向移动。

"拓扑操作会导致各种奇异而迷人的现象，比如手性相的建立和声子的单向运动，"该研究的作者之一、理化学研究所科学家Franco Nori解释道。

然而，这里有一个难题。量子系统不止有一种运动或激发模式——它们有很多种。其中一些是"亮模式"，能与外部信号互动并受其控制。

另一些则是"暗模式"，它们完全解耦。它们根本不响应驱动场——就像机器里你看不见、也摸不到的隐藏齿轮。

这些暗模式造成了一个严重的问题。当它们存在时，"不同模式之间的转换以及声子的拓扑传输都会中断，而且这些效应无法通过常规手段恢复，"Nori解释说。

这意味着没有可控的能量传输，没有定向运动，也没有有用的量子操作。传统的修复方法——比如微调系统参数——都不起作用，因为暗模式从根本上就处于断开状态。

智胜暗模式的方法

理化学研究所的团队采取了不同的方法。他们没有试图消除暗模式，而是决定对它们进行重新编程。他们向系统中引入了精心设计的人工量子信息。

尽管这个术语听起来抽象，但思路很直接。他们加入了特定的量子输入，这些输入改变了不同模式之间的互动方式。这种工程手段有效地迫使暗模式暂时与系统耦合——将它们转变为亮模式。

一旦发生这种情况，先前被阻断的拓扑效应便会重新活跃起来。声子可以再次以受控方式运动，不同模式可以按预期交换能量。至关重要的是，这种转变并非随机——而是精确且可控的。

"我们兴奋不已。这种人为设计的转变使拓扑操作成为可能——这在以前由于暗模式的存在是无法实现的，"该研究作者之一、理化学研究所博士后研究员Deng-Gao Lai说道。

最令研究人员惊讶的是，这种方法竟如此稳健。即便在他们预计系统会失效的条件下，人为设计的转变依然稳固有效。这表明该方法不只是一套理论，它有可能在实际设备中发挥作用。

"我们的工作为构建可扩展的量子设备和发现新的拓扑现象铺平了道路，"Lai说。

该研究发表于期刊《自然·通讯》。

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