超导涡旋态的量子相干操控与读出

存储量子信息的新途径

量子计算机有望解决远超当今机器能力的问题，但其基本构件——量子比特——既脆弱又难以工程化。本研究揭示了一种隐藏在超导材料内部的意想不到的新型量子比特：微小的磁场漩涡，称为涡旋，它们能够以惊人较长的时间悄然保存量子信息。把曾经被视作麻烦的现象转化为有用资源，可能为更简单、更鲁棒的量子技术开辟新途径。

当磁性悄然渗入超导体

超导体以将磁场排斥出其内部而著称，这一现象支撑着从磁共振成像到灵敏探测器的多种技术。然而，当施加的磁场足够强时，它会以离散的细丝状束穿透超导体，形成所谓的涡旋。在普通材料中，每个涡旋的中心表现得像正常金属，涡旋移动时会产生摩擦和能量损耗。因此涡旋长期以来被视为会削弱超导器件和量子比特性能的麻烦制造者。本文探讨的关键转折是，在强无序的颗粒状超导体中——由许多微小的铝颗粒通过薄绝缘层隔开——涡旋中心可以保持“有能隙”，即不易耗散能量。在这些条件下，涡旋可能不再表现为经典物体，而开始展现完全的量子行为。

将涡旋变为量子两态系统

研究者用颗粒铝制成一根纤细的微波谐振器，将其冷却到接近绝对零度的几千分之一开尔文，并在冷却过程中施加小磁场。该过程在器件的特定位置俘获了涡旋。随后通过扫描磁场并探测谐振器的微波响应，团队观察到明显迹象表明谐振器与一个独特且可调的两能级系统强耦合——本质上是只有基态和激发态的量子对象，与涡旋的存在相关。他们可以用短微波脉冲驱动这两个态之间的跃迁，就像操纵常规超导量子比特一样，并且可以以不破坏量子态的方式进行读出，这种读出称为量子非破坏测量。

长寿的量子漩涡

时域测量显示，这些基于涡旋的态能在数百微秒内保持能量，与当下领先实验中一些精心设计的量子比特的寿命相当。相干相位——允许量子叠加存在的特性——持续时间为微秒量级，并可通过回波技术延长以抵消缓慢的环境漂移。对多次冷却循环的统计研究表明，这些“涡旋量子比特”在数小时到数周内保持稳定，但它们的微观构型在不同冷却过程中可能发生变化，反映出颗粒状景观中涡旋排列的差异。

陷阱与量子隧穿的景观

为了解释涡旋如何充当量子两态系统，作者对其在狭窄超导条内所感受到的能量景观进行了建模。由于薄膜是颗粒状且无序的，存在许多微小的“钉扎”位点可以局部俘获涡旋。随着磁场的调节，这些陷阱的相对深度发生变化，有效地形成了一个双势阱：两个相邻的低能位置由势垒分隔。在某个特殊的“甜点”磁场附近，两个阱的能量变得几乎相等，涡旋可以通过量子隧穿在它们之间转移，而不是经典跳跃。在该势能区间，涡旋不再局限于一侧或另一侧；相反，其态是同时位于两个陷阱的叠加，形成与谐振器耦合的两能级系统。

从不受欢迎的缺陷到有用的量子工具

通过表明被俘获的涡旋在颗粒状超导体中可以表现为可控且寿命较长的量子比特，这项工作将超导器件长期存在的缺点转化为机会。如果基本图景——涡旋在无序、类似结点网络的近邻钉扎位之间隧穿——能被未来的成像和光谱实验证实，则类似的基于涡旋的量子比特有望在多种材料中实现。由于它们直接源自超导体的结构，这类态既可作为探测微观无序的内置探针，也可作为一种新的基于涡旋的量子信息处理与超灵敏探测平台的元件。

引用: 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

关键词: 超导量子比特, 颗粒铝, 磁涡旋, 量子相干性, 量子材料