超强耦合体系中单光子双原子协同激发的光谱特性研究及其在量子信息处理中的应用

研究团队通过构建两个超导人工原子与LC谐振器的超强耦合系统，成功观测到单光子同时激发双原子的量子效应。该研究利用广义Dicke模型揭示了光-物质解耦现象，为量子光学和量子信息处理提供了新思路，相关成果发表于《Nature Communications》。

　　

在量子计算和量子模拟领域，实现可控的光-物质相互作用一直是核心挑战。传统量子光学系统受限于弱耦合强度，难以观测到突破经典物理极限的量子现象。日本理化学研究所（RIKEN）等机构的研究人员通过超导电路平台，首次在实验上证实了单光子可同时激发两个人工原子的颠覆性效应，相关成果发表在《Nature Communications》。

研究团队采用的关键技术包括：1）基于约瑟夫森结的双flux qubit（磁通量子比特）设计；2）LC谐振器的多模式耦合技术；3）低温矢量网络分析仪（VNA）光谱测量；4）广义Dicke哈密顿量建模。实验样本为定制化超导芯片，通过双角度阴影蒸发法制备铝基约瑟夫森结。

Device
通过光学显微镜和SEM成像确认器件结构，等效电路显示两个flux qubit通过共享电感与LC谐振器耦合。关键参数包括：谐振频率ω_r
/2π=5.15 GHz，耦合强度g_1,2
/ω_r
≈0.7，达到超强耦合标准（USC）。

Energy spectrum
能谱测量发现：1）在ε₁
/2π=-2.4 GHz处观测到|gg1?与|ee0?态间的能级反交叉，分裂宽度22.8 MHz；2）光谱不对称性证实纵向耦合的解耦效应。理论计算表明，当ε₁
ε₂
<0时，原子态|ge?和|eg?会与光场相干态关联，而|gg?和|ee?保持无光子态。

One photon simultaneously excites two atoms

数值模拟显示第三、第四本征态分别包含80%的|gg1?和|ee0?成分，验证了单光子双原子激发过程的相干性。这种效应源于广义Dicke哈密顿量中的反旋转项，其强度比理论预测（g/ω_r
≈0.1）高7倍。

Discussion
该研究突破性地实现了三个重要目标：1）首次实验验证超强耦合下的多原子协同激发；2）发现自旋-自旋相互作用会抑制横向耦合；3）揭示光-物质解耦的偏置依赖性。这些发现为开发基于USC的量子门（如两比特门）和光子频率转换器提供了理论基础。

研究团队特别指出，与多模腔系统相比，该架构能更高效地实现单光子-多激子转换。未来可通过量子态层析技术进一步观测Rabi振荡动力学，推动超快量子处理器件的实用化发展。