德国等机构学者观察到可相干操控的超导涡旋量子态

近日，德国卡尔斯鲁厄理工学院等机构的研究团队在 Nature 发表论文，报道了在颗粒铝（granular aluminium, grAl）微波谐振器中对超导涡旋态进行相干操控与读出的实验结果。研究显示，在特定的强无序超导材料中，通常被视为耗散性、半经典对象的磁通涡旋，也可能表现为一个可被微波驱动、可被单次读出的二能级量子系统。

这一结果的有趣之处在于，它把“涡旋”这一超导物理中十分经典的对象，带入了电路量子电动力学的实验框架中。研究团队不仅观察到了涡旋相关模式与微波谐振器之间的强耦合，还进一步展示了类似超导量子比特实验中的单次读出、拉比（Rabi）驱动、拉姆齐（Ramsey）干涉和回波（echo）测量。相关研究成果于5月6日发表在国际权威学术期刊《自然》[Nature 653, 63–67 (2026)]。

Credit: Nature

在二类超导体中，当外加磁场超过一定阈值后，磁场会以量子化涡旋的形式进入材料。每个涡旋携带一个磁通量子，周围伴随着环绕流动的超导电流。传统 Abrikosov 涡旋的核心区域通常伴随超导能隙压低甚至消失，因此容易带来耗散、磁滞、噪声和退相干。对超导量子器件而言，涡旋往往是需要避免或控制的对象。

颗粒铝提供了不同的环境。它由纳米尺度铝颗粒和氧化铝势垒组成，接近一个复杂的约瑟夫森网络。当材料接近超导—绝缘体转变但仍保持整体超导时，理论上涡旋核心不一定像普通金属超导体中那样强烈耗散，而可能保持能隙，从而为后续量子相干性的控制与测量提供了可能。

Credit: Nature

实验器件是一个 grAl 微带线谐振器。零场冷却时，它表现为普通微波谐振器，基频约 7.572 GHz。当研究团队在垂直磁场中冷却样品时，涡旋会进入并被困在 grAl 薄膜中。随后再扫描外加磁场，谐振器响应中出现了免交叉（avoided crossing）。

免交叉意味着谐振器与另一个模式发生了强耦合。研究团队将其解释为谐振器与涡旋相关二能级系统之间的耦合，并提取出约 95 MHz 的耦合强度。通过额外注入另一束微波并扫描该微波的频率，研究人员得以提取该二能级系统的频率。并进一步发现，这个涡旋二能级系统的频率随磁场变化呈现类似磁通量子比特的形状：在某个最佳工作点（sweet spot）附近频率最低，偏离该点后频率升高。

Credit: Nature

为了进一步验证这个涡旋态的性质，研究团队在 sweet spot 附近重复测量谐振器的反射信号。每次测量都会得到 IQ 平面（表示微波响应的同相和正交分量）上的一个点，而实验结果显示，这些点分成了两个清晰的云团。这与常规超导量子比特中的色散读出非常相似：当二能级系统处于不同状态时，会让谐振器响应发生不同偏移，从而在 IQ 平面上留下可区分的读出结果。

进一步地，研究团队施加一个 20 ns 的微波 π 脉冲（将量子态完全翻转的脉冲），可以反转两个 IQ 云团的相对占比。这说明两个云团并非简单的仪器漂移或随机噪声，而是对应一个可被相干驱动的二能级系统。由于两个云团在 1.2 μs 的读出积分时间内仍能清晰分辨，这也表明该系统的布居寿命长于单次读出的时间窗口。

值得注意的是，能单次读出并不自动意味着读出是非破坏测量（quantum non-demolition, QND）。QND 读出的关键在于：测量主要获取系统状态信息，而不是显著诱发额外跃迁。为此，作者进行了连续读出并观察到∣g⟩与∣e⟩ 之间的量子跳变。由停留时间统计得到的弛豫时间与自由衰减实验中的T₁处于同一量级，说明读出并没有明显主导系统的跃迁过程，因此与量子非破坏读出的特征相符。进一步的时域测量给出T₁=186 μs ，Ramsey 退相干时间T₂^∗≈440 ns ，Hahn echo 后延长至约1.2 μs，表明该涡旋态不仅可以被读取和驱动，还能在微秒量级保持相干性。

Credit: Nature

为解释涡旋比特的形成机制，作者提出了一个物理图像：场冷却过程中，涡旋进入 grAl 谐振器，并被材料无序造成的钉扎势捕获。如果两个相邻钉扎点形成双阱结构，涡旋就可能在两个位置之间发生量子隧穿。

在这个图像中，涡旋位于左、右两个钉扎点对应两个局域态；当两个势阱高度接近时，系统本征态可以看作这两个位置态的叠加。外加磁场则调节两个势阱的相对高度，从而改变了比特的频率。sweet spot 对应两个势阱近似简并的位置，偏离 sweet spot 后，双阱逐渐倾斜，比特的频率随之增大。

文章还用非对称量子 Rabi 模型描述涡旋比特与谐振器的耦合，并解释了实验中色散位移随磁场的非单调变化。其直观物理图像是，外加磁场一方面改变比特与谐振器之间的频率失谐，另一方面也会改变二者之间有效耦合的表现；两种效应相互竞争，共同决定了色散位移的变化，与实验观察吻合。需要强调的是，单个涡旋在两个钉扎点之间隧穿仍是一个与实验结果相符的物理假说，未来还需要成像等实验进一步验证。

Credit: Nature

从更长远看，这项工作的重要性不只在于提出了一种新的量子比特候选体系，更在于改变了人们理解超导涡旋的方式：在特定的颗粒铝器件中，原本通常被视为耗散源的涡旋，可以表现为低损耗、可读出、可相干操控的二能级量子态。这为研究无序超导体中的局域涡旋动力学、钉扎势结构以及超导—绝缘体转变附近的微观自由度提供了新的实验工具。至于这种涡旋态能否进一步发展为可工程化的量子器件平台，还需要在微观机制确认、噪声抑制、钉扎势设计和器件几何优化等方面继续推进。

参考文献：

[1] Nambisan, A., Günzler, S., Rieger, D. et al. Quantum coherent manipulation and readout of superconducting vortex states. Nature 653, 63–67 (2026). 

https://doi.org/10.1038/s41586-026-10441-7

量子科话面向热爱科学、关心科技发展的公众，介绍量子科技领域重要前沿研究进展和国内外相关发展动态，对公众关注的科学问题提供客观的解读，助力加深公众对量子科技的认识，感受量子世界的奥妙。

量子科话由合肥国家实验室和中国科学院量子信息与量子科技创新研究院共同主办。