芝加哥大学的物理学家发明了一种“量子长笛”，就像吹笛者一样，它可以强制光粒子以前所未有的方式一起移动。
在《物理评论快报》和《自然物理学》上发表的论文中对这项研究进行了描述，这一突破可能为在量子计算机中实现量子记忆或新形式的纠错，以及观察自然界中看不到的量子现象指明了方向。
实验室的副教授David Schuster研究的是量子比特——相当于计算机比特的量子比特——它利用原子和亚原子水平上粒子的奇怪特性，做一些在其他情况下不可能完成的事情。在这个实验中，他们研究的是微波光谱中被称为光子的光粒子。
他们设计的系统由一块金属制成的长腔组成，用来捕获微波频率的光子。这种腔体是通过钻偏置孔形成的——就像长笛上的孔一样。
“就像在乐器中一样，”Schuster说，“你可以在整个乐器中发送一个或几个波长的光子，每个波长创建一个‘音符’，可以用来编码量子信息。”然后，研究人员可以使用一个主量子比特，即超导电路，来控制“音符”的相互作用。
但他们最奇怪的发现是光子的行为方式。
在自然界中，光子几乎从不相互作用——它们只是相互穿过。经过艰苦的准备，科学家有时可以促使两个光子对彼此的存在做出反应。
Schuster说:“在这里，我们做了一些更奇怪的事情。”“一开始，光子完全不相互作用，但当系统中的总能量达到临界点时，突然之间，它们都在相互交谈。”
在实验室实验中让这么多光子相互“交谈”是非常奇怪的，就像看到一只猫用后腿走路一样。
“通常情况下，大多数粒子的相互作用是一对一的——两个粒子相互反弹或吸引，”Schuster说。“如果你添加第三个，它们通常仍会与其中一个或另一个顺序交互。但这个系统让它们都同时交互。”
他们的实验一次最多只能测试五个“音符”，但科学家们最终可以想象通过单个量子比特运行数百或数千个音符来控制它们。对于像量子计算机一样复杂的操作，工程师希望尽可能地简化，Schuster 说：“如果你想构建一个 1000 位的量子计算机，并且你可以通过一个位来控制所有这些计算机，那将是非常有价值的。”
研究人员也对这种行为本身感到兴奋。没有人在自然界中观察到类似这些相互作用的东西，因此研究人员还希望这一发现可以用于模拟在地球上甚至无法看到的复杂物理现象，甚至可能包括一些黑洞物理学。
除此之外，实验也很有趣。
“通常情况下，量子相互作用发生的长度和时间尺度太小或太快，我们无法看到。在我们的系统中，我们可以在任何笔记中测量单个光子，并观察相互作用发生时的影响。用眼睛‘看到’量子相互作用真的非常棒，”芝加哥大学博士后研究员 Srivatsan Chakram 说，他是该论文的共同第一作者，现在是罗格斯大学的助理教授。
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