联合量子研究所的贝利·贝德福德
(左图)在双曲空间中，在量子位对(边缘的黑点)之间产生相互作用的微波光子最有可能沿着最短路径(虚线)传播
在两幅图像中，较暗的颜色显示了光子更容易被发现的地方
(右图)由一个量子位(包含平行黑线的灰点)和一个附加的微波光子形成的量子态，可以在代表弯曲空间的网格的一个交叉点上找到
信用:普热米索·比尼亚斯/JQI 物理学家和数学家提出的一个令人费解的想法是，空间本身——不仅仅是空间中的物体——是可以弯曲的
当空间弯曲时(就像在黑洞附近发生的那样)，大小和方向与正常的直觉相悖
像定义直线这样简单的事情需要仔细考虑
理解弯曲空间对于扩展我们对宇宙的知识很重要，但是在实验室环境中研究弯曲空间(甚至使用模拟)是极其困难的
JQI大学研究人员之前的一项合作探索了使用由超导谐振器制成的迷宫电路来模拟某些弯曲空间的物理特性(关于这一研究领域的额外背景信息和动机，请参见之前的故事)
特别是，该团队研究了代表空间的双曲格子——称为负弯曲空间——这些空间比我们日常的“平面”空间更大
我们的三维世界甚至没有足够的空间来容纳一个二维负弯曲的空间
现在，在1月1日发表在《物理评论快报》杂志上的一篇论文中
2022年3月3日，JQI研究员艾丽西娅·科尔拉尔和同样是量子信息和计算机科学联合中心研究员的阿列克谢·戈尔什科夫小组之间的相同合作，扩展了该技术的潜在应用，包括模拟更复杂的物理
他们已经为增加量子比特(量子计算机的基本构件)奠定了理论框架，使其在由流动微波构成的弯曲空间中充当物质
具体来说，他们考虑了增加量子比特，当它们吸收或释放微波光子时，量子比特在两个量子状态之间变化，微波光子是微波在电路中传播的单个量子粒子
“这是研究曲率对物理现象的影响的桌面实验的一个新的前沿，”第一作者普热米索·比尼亚斯说，他是前JQI助理研究科学家，现在作为量子研究科学家为亚马逊网络服务工作
“这里我们有一个曲率很大的系统，看到它如何影响物理学非常令人兴奋
" 为了让研究人员使用这些模拟，他们需要详细了解模拟如何表示弯曲的空间，更重要的是，在什么情况下模拟失败
特别是，必须仔细考虑模拟中使用的物理电路上必须存在的边缘，因为科学家通常对无边缘的无限弯曲空间感兴趣
这对于双曲点阵特别重要，因为它们在点阵的边缘和内部有几乎相同数量的位置
因此，研究小组确定了电路应该反映无限弯曲空间的现实的情况，而不管电路的边缘和这里的情况，未来的研究人员将不得不仔细解释结果
研究小组发现，某些特性，比如量子比特释放光子的可能性，不应该受到电路边缘的显著影响
但是物理学的其他方面，比如光子在给定的共享总能量下占据的状态比例，将会受到边缘的强烈影响
如果小心谨慎，这种类型的模拟将提供一个窥视负弯曲空间是一个全新的物理世界的基础
“在这篇论文中，我们提出了这样一个问题，“当你把量子比特加到生活在那些双曲晶格上的光子上时，会发生什么？”比尼亚斯说
我们在问，“那里出现了什么类型的物理，什么类型的相互作用是可能的？" 研究人员首先研究了微波和电路中的单个量子比特如何结合
该团队预测，光子附着在特定量子位(束缚态)上的特殊量子态的大小将受到弯曲空间的限制，而这种限制在平坦空间中是不会发生的
上面右侧的图像显示了这种状态，较暗的颜色显示了光子最有可能出现在由灰点表示的量子位周围的位置
然后，他们研究了当一个充满微波的电路中加入多个量子比特时会发生什么
量子位之间传播的光子充当中介，允许量子位相互作用
该团队的分析表明，导致量子位相互作用的光子倾向于沿着电路中两点之间的最短路径传播——对应于模拟弯曲空间中的最短距离
上图左侧显示了其中一条穿过弯曲空间的路径
这个结果符合物理学家目前对这样一个空间的预期，是一个有希望的迹象，表明模拟将在更复杂的情况下揭示有用的结果
此外，研究人员预测曲率将限制量子位之间的相互作用范围，就像它限制单个束缚态的大小一样
使用这种装置的模拟可以让科学家探索许多粒子在弯曲空间中相互作用的行为，这对于使用强力数值计算进行研究是不切实际的
这些结果建立在以前的研究基础上，并为探索使用超导电路模拟弯曲空间的新物理提供了额外的工具
本文探讨的相互作用的内容可以帮助使用模拟来研究结合量子引力理论和量子场论的AdS/ CFT对应关系
“双曲连通性在经典计算中非常有用，例如，它是当今使用的一些最有效的经典纠错码的基础，”科尔拉说
“我们现在知道，向双曲谐振器晶格中添加量子比特将赋予量子比特的相互作用以双曲结构，而不是实验室固有的平坦曲率
这为我们打开了一扇大门，让我们可以进行直接实验来检验双曲连通性对量子比特和量子信息的影响
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