超导电路中近超强非线性光-物质耦合的实现与量子调控突破

研究人员针对量子技术中非线性光-物质耦合强度受限的核心问题，通过超导电路创新性地实现了χ/ω=(4.852±0.006)×10-2的近超强非线性耦合 regime，并测得580.3±0.4 MHz的ZZ相互作用——目前报道最强的相干量子比特间耦合。该研究通过gradiometric quarton耦合器同时实现大交叉克尔(χ)和自克尔(K)抵消，为超快量子测量和门操作奠定基础。

　　

在量子技术领域，光与物质的相互作用是核心物理现象。传统线性耦合g?σ_x(a?+a?^?)虽已实现超强耦合(g/ω>10^-1)，但非线性耦合(χ?σ_za?^?a?)通常仅为微扰(χ/ω<10^-2)。这种非线性耦合具有与原子σ_z和光子数算符a?^?a?对易的独特优势，是实现量子非破坏测量(QND)等关键操作的基础。然而现有技术面临两大瓶颈：一是非线性耦合强度不足导致操作速度受限；二是强自克尔效应会破坏光子模式的线性特性。

针对这些挑战，来自MIT等机构的研究团队Yufeng Ye、Jeremy B. Kline等人在《Nature Communications》发表重要成果。他们创新性地采用gradiometric quarton耦合器，在超导电路中实现了三大突破：首次实验证明近超强非线性光-物质耦合(χ/ω≈4.85×10^-2)；模拟出光-光非线性耦合；创造了580.3 MHz的量子比特间最大ZZ耦合记录。这些进展为量子计算中的超快读out和门操作开辟了新途径。

关键技术包括：1) 采用gradiometric quarton耦合器电路设计，实现可调谐的非线性耦合；2) 通过flux bias精确调控transmon的自克尔效应；3) 双tone光谱技术表征能级结构；4) Rabi振荡实验测量交叉克尔耦合强度；5) 强非共振驱动激发高阶能级模拟光-光耦合。

【Quarton coupler circuit】研究团队设计了一种梯度metric quarton耦合器电路，其势能函数包含?_a²?_{b²项，可产生非微扰的交叉克尔耦合。理论计算表明该设计可实现χ/√(KaKb)>80，远超传统方案O(1)的水平。}

【Spectroscopy】通过flux bias在I_bias=1.285 mA工作点将transmon A线性化（自克尔仅0.76±0.08 MHz），同时保持transmon B的强非线性（自克尔25.44 MHz）。能谱测量显示交叉克尔分裂现象，证实强耦合存在。

【Near-ultrastrong light-matter nonlinear coupling】在优化工作点测得χ/2π=366.0±0.5 MHz的交叉克尔耦合，对应归一化强度η?=4.852×10^-2，进入新定义的"近超强"非线性耦合 regime。观察到光子数依赖的分裂谱线，这是强非线性耦合的特征现象。

【Simulated light-light nonlinear coupling】通过强非共振驱动激发transmon B的高能态，模拟出光-光非线性耦合场景，测得相同的χ值，证明该架构的普适性。

【Matter-matter nonlinear coupling】在I_bias=1.224 mA工作点实现两个非线性量子比特间的580.3±0.4 MHz ZZ耦合，相当于0.86 ns的CZ门时间，创下相干量子比特间耦合强度记录。

这项研究通过quartonic方法突破了非线性光-物质耦合的强度限制，其创新性体现在：1) 首次进入近超强非线性耦合 regime；2) 实现交叉克尔与自克尔效应的解耦；3) 创纪录的ZZ耦合强度。这些进展不仅为研究光-物质相互作用的新物理 regime 提供了平台，更将推动量子测量和门操作的速度提升1-2个数量级。虽然目前器件的相干时间(T₁≈10 μs)有待提高，但该架构已展现出在超快量子读out等应用中的巨大潜力。这项工作为探索超强和深超强非线性耦合 regime 奠定了基础，可能引发量子信息处理技术的革命性进步。